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Full text of "Le Scienze, n. 201"

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LE SCIENZE 



SCI ENTI FIC 
VMEIUCVN 



numero 201 
maggio 1985 
anno xvmi 
volume xxxjv 



L'ottemperanza agli accordi 
sul controllo delle armi 

Le attività militari in Unione Sovietica possono essere controllate 
unilateralmente dagli Stati Uniti con un ampia gamma di tecnologie di 
telerilevamento tra cui le fotografie ad alta risoluzione riprese da satellite 

di David Hafemeister\ Joseph J. Romm e Kosta Tsipis 



Ia recente decisione degli Stati Uniti 
e dell'Unione Sovietica di ri- 
-J prendere i negoziati bilaterali 
sul controllo degli armamenti è stata an- 
nunciata da entrambi i governi con di- 
chiarazioni pubbliche nelle quali si dava 
particolare rilievo alla necessità di fer* 
mare e addirittura di invertire la crescita 
dei rispettivi arsenali nucleari e dei rela- 
tivi sistemi di armi. Dato il clima di sfi- 
ducia che regna oggi fra le due nazioni, 
è imperativo che l'ottemperanza ai ter- 
mini di qualsiasi trattato che possa uscire 
dai nuovi negoziati sia controllabile uni- 
lateralmente da ognuna delle due parti. 
Il controllo esige che ogni nazione di- 
sponga di mezzi sicuri e obiettivi per se- 
guire passo passo le attività militari del- 
l'altra. Nel corso degli annL pertanto, 
entrambi i paesi hanno messo a punto 
una famiglia completamente nuova di 
sistemi intesi a raccogliere tali informa- 
zioni a distanza. Questi sistemi vengono 
indicati collettivamente come mezzi tec- 
nici nazionali di controllo. 

La questione del controllo è comple- 
tamente disgiunta non solo dal problema 
legale che si pone quando si tratta di 
stabilire se una determinata attività co- 
stituisce una violazione dei trattato, ma 
anche dal problema politico di che cosa 
fare a proposito di una violazione una 
volta che essa sia stata rilevata. Cionon- 
ostante» il controllo è qualcosa di più di 
un semplice problema tecnico. Negli 



Stati Uniti, per esempio, esso è stato uno 
dei punti centrali del ricorrente dibattito 
politico sui meriti dei vari trattati, esi- 
stenti e proposti, per il controllo degli 
armarne nti . Gli oppositori di un qualsiasi 
trattato tendono a sostenere che, atte- 
nendosi ai termini di un trattato, gii Stati 
Uniti non possono controllare l'ottem- 
peranza sovietica tanto bene da riuscire 
a garantire la sicurezza nazionale, men- 
tre i fautori dei trattati tendono a soste- 
nere che gli Stati Uniti sono in grado di 
farlo. 

In genere la questione della control- 
labilità o meno di un trattato da parte 
degli Stati Uniti si può ridurre a due 
problemi più ristretti. Primo, a quale li- 
vello di attività clandestina sovietica sa- 
rebbe messa in pericolo la sicurezza degli 
Stati Uniti? Secondo, il sistema operati- 
vo di controllo degli Stati Uniti è in gra- 
do di rilevare quel livello di attività? 

Quali sono le tecnologie necessarie 
per osservare lo sviluppo, la speri- 
mentazione, la produzione e lo spiega- 
mento di un sistema di armi? Per quel 
che riguarda lo sviluppo, i primi segni 
individuabili potrebbero essere costituiti 
dalle comunicazioni tra i funzionari e gli 
scienziati che lavorano sulfarma in que- 
stione; alcuni dì questi segnali potrebbe- 
ro essere intercettati per mezzo dì onde 
radio di controllo. Oppure, Tarma o i 
suoi piani potrebbero essere osservali 



direttamente da una spia. Come ebbe a 
dire nel 1979 William J. Perry, a quel 
tempo sottosegretario alla Defense per 
la ricerca e la tecnologia, «noi seguiamo 
tanto bene L'attività a Livello di ufficio 
progetti [dei missili sovietici] da essere 
sempre riusciti a prevedere ogni icbm 
[missile balistico intercontinentale) pri- 
ma ancora che venissero iniziate le prove 
... Già in passato siamo stati in grado di 
scoprire l'esistenza di un icbm prima del- 
la fase sperimentale». 

Una volta che un'arma arriva alla fase 
di prova fuori del laboratorio è possibile 
servirsi di tutto lo spettro di energia acu- 
stica ed elettromagnetica per ottenere 
informazioni al riguardo. Rivelatori nel- 
la luce visibile, come quelli installati sui 
satelliti per la ricognizione fotografica, 
possono «vedere» Tarma direttamente; 
rivelatori nell'infrarosso installati sui sa- 
telliti possono «percepire» il calore e- 
messo dal pennacchio di scarico di un 
razzo durante gli esperimenti: il radar 
può inseguire urfarma in volo, il sonar 
può inseguirla in aequa e i sismografi 
possono rilevare e valutare un esperi- 
mento nucleare sotterraneo. 

Dopo essere stata sperimentata in tut- 
to e per tutto, un'arma passa alla produ- 
zione. Questa comporta il trasporto in 
grande scala da e per gli impianti indu- 
striali, un'attività che può essere control- 
lata servendosi delle radiazioni compre- 
se nella regione dell'infrarosso o del vi- 



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PIANO FOCALE 




sibilo. Infine è possibile seguire anche io 
spiegamento operativo e Tati desi rame ri- 
to degli addetti alla nuova arma. La prin- 
cipale differenza esistente nell'osserva- 
zione di questi processi è costituita dal 
tatto che, in linea di massima. La speri- 
mentazione e la produzione debbono 
per forza essere rilevate mentre sono in 
corso, mentre lo spiegamento comporta 
attività che vanno avanti per anni e che 
possono essere rilevate in qualsiasi mo- 
mento dopo la fase di avvio. 

IV r stabilire se l'Unione Sovietica sta 
violando i termini di un trattato non è 
però necessario osservare tutto ciò che 
ha a che fare con il laborioso processo 
che culmina con lo spiegamento dell'ar- 
ma. Al contrario, basterebbe conoscere 
in modo sufficientemente particolareg- 
giato solo alcune parti dell'atti vita in 
questione pei individuarne l'intento e ri- 
levare la violazione dell'accordo. Onesto 
processo di rilevamento e identificazio- 
ne è facilitato in molti modi dal sinergi- 
smo tra i vari mezzi impiegati per racco- 
gliere informazioni dall'intorno dell'U- 
nione Sovietica. Le informazioni raccol- 
te per mezzo di un certo sistema opera- 
tivo di con l rollo ( per ese mpio, l'i ntercet- 
tazionc elettronica di messaggi) può dire 
a un altro sistema (come un satellite per 
la ricognizione fotografica) dove guar- 
dare e che cosa cercare. Frammenti di 
informazioni di per sé non decisivi, 
captali da un sistema, possono inoltre 
rivelare, una volta che sono interpolati e 
correlati con altre informazioni fram- 
mentarie raccolte da altri sistemi opera- 
tivi di controllo, la natura di un'attività 
in via di svolgimento. 

Mettere assieme i vari pezzi (Ìq] puzzle 
è importante quanto raccoglierli. A que- 
sto compito è intrinseca comunque una 
certa dose di ambiguità e di incertezza. 
Alcune attività rilevate potrebbero non 
essere osservate in modo abbastanza 
particolareggiato da. permettere di stabi- 
lire se costituiscono o meno una viola- 
zione delle clausole di questo o quel t rat - 
tato. Altre attività potrebbero essere ri- 
levate con dovizia di particolari, ma le 
relative clausole del trattalo potrebbero 
essere troppo ambigue per permettere di 
stabilire se le attività in questione costi- 



li potere risolutivo al suolo di un satellite per 
la ricognizione folografica dipende dalla di- 
rni'iiMtmc dclPuarca di risoluzione». Il dia- 
metro di una singola area di risoluzione della 
scena al suolo (r) è dato dalla formula r 
(hffid* dove H è l'altezza del satellite,/ la 
distanza locale del sistema ottico e d il dia- 
ntetro di un pivel, o elemento d'immagine* 
nel mezzo di registrazione. (Tutte le unità 
sono calcolate in genere in centimetri.) La 
dimensione di un pixel è determinala o dalla 
granulosità della pellicola fotografie:! o dalle 
dimensioni dì una singola cella del dispositivi» 
a scorrimento di carica tee u\ usato sul piano 
focale del sistema ottico per registrare I* im- 
magine. L'area di risoluzione della genera/io- 
ne attuale di salellili per la ricognizione foto- 
grafica sarebbe all'ìiieirea di 11) 2 centi mei ri. 



tuiscono o non costituiscono delle viola- 
zioni. Gli sforzi della comunità dei tec- 
nici sono stati dedicati a ridurre queste 
incertezze mediante lo sviluppo di tec- 
nologie di sorveglianza che dei segnali 
intercettati producono immagini e regi- 
strazioni estremamente particolareggia- 
te prive al massimo di qualsiasi disturbo 
o rumore. 

Fatti e attività in via di svolgimento che 
potrebbero provocare nell'ambiente 

fisico cambiamenti permanenti visibili 
vengono individuati in modo più atten- 
dibile per mezzo della ricognizione fo- 
tografica effettuala da satelliti, cioè per 
mezzo del periodico fotografare di scene 
all'interno dell'Unione Sovietica me- 
diante sistemi ottici installati a bordo di 
satelliti immessi in un'orbita relativa- 
mente bassa. Fotografando a più riprese 
una scena nelle stesse condizioni, si è in 
grado di stabilire se in essa sono inter- 
venuti dei cambiamenti. 

Dato un numero sufficiente di parti- 
colari, è possibile riconoscere l'attività 
che ha causato il cambiamento. Un tipo 
speciale di macchina fotografica racco- 
glie la luce riflessa dalla scena e forma 
un'immagine costituita da un insieme di 
punti chiari e scuri (o in colore) su una 
superficie fotosensibile di registrazione. 
Ogni punto è va pixel, ossia un elemento 
di immagine. Le dimensioni dei pixel, la 
distanza focaie della macchina fotogra- 
fica e la quota a cui si trova il satellite 
determinano il potere risolutivo del si- 
stema, che è la dimensione dell'oggetto 
più piccolo al suolo che il sistema stesso 
è in grado di distinguere {sì vetta nilu- 
sinizittue in queste pagina)* Quanto più 
fini sono i particolari visibili in una im- 
magine, tanto più facile è rilevare i cam- 
biamenti intervenuti da una fotografia 
all'altra e tanto più piccoli sono i cam- 
biamenti che si possono individuare. 
L'aumento di risoluzione accresce il con- 
tenuto di informazioni delle immagini. Il 
maggior contenuto di informazioni fa 
aumentare le probabilità di individuare 
anche l'attività responsabile dei cambia- 
menti osservati. 

L'esperienza ha dimostrato che si può 
rilevare la presenza dì un oggetto in una 
scena se 1 oggetto è grande almeno 
quanto Parca di risoluzione. Se è otto 
volte più grande, può essere riconosciuto 
(poniamo come un carro armato o come 
un autocarro) e se è dodici volte più 
grande può essere addirittura identifica- 
to (come un vecchio carro armato sovie- 
tico T-62 o come un più recente T-72). 
Si dice che l'area di risoluzione dei sa- 
telliti da ricognizione degli Stati Uniti sia 
inferiore a un quadrato di IO centimetri 
di lato. Si può supporre quindi che tali 
sistemi siano in grado di rilevare al suolo 
un oggetto più o meno delie stesse di- 
mensioni e di identificarne perfettamen- 
te uno che abbia un diametro inferiore a 
un metro e mezzo. L'identificazione di 
oggetti e di attività diventa ancora più 
facile se sì dispone di immagini fotogra- 




fie fotografie da satellite intensificate al calcolatore rivelano la prima 
portaerei a propulsione nucleare della marina sovietica in costruzione 
in un cantiere dei Mar Nero. La nave da guerra da 75 000 Inanellai e, 
che si suppone verrà chiamata Cremlino quando diventerà operativa 



net I 0M4. viene costruita in due se /toni: la sezione di prora, lunga 264 
metri, e la sezione di poppa» lunga 73 metri, visibìli in due scali 
adiacenti sotto la gigantesca gru a cava Ite Ito. Le fotografie sono state 
pubblicale per la prima > olla nel 1984 su « Janc's Defetice VYeekly». 



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La sequenza di immagini del plastico di un carro armato sovietico simula l'effetto delfau mento 
di rivoluzione. Una Fotografia del modello è stata sottoposta a scansione ottica in modo da 
produrre una registra/ione digitale su nastro magnetico. Le inforni li/ ioni sul nastro sono state 
poi elaborate così da riprodurre l'immagino a Ire diverse dimensioni di pixel, corrispondenti 
grosso modo a tre risoluzioni. Alla prima risoluzione l'oggetto può essere identificato come un 
autocarro Un aito); alla seconda come un carro armalo (seconda immagine da/Tatto)'* alla 
terza come un 1-62 sovietico (seconda immagine dai basso). U immagine intensificata in basso 
è stata sottoposta a speciale elabora/ione per definirne meglio ì bordi e regolarne il contrasto, 



fiche formate da radiazione riflessa di 
lunghezze d'onda diverse. Combinando 
le immagini dì una scena ripresa nell'in- 
frarosso e nell'ultravioletto oltre che nel 
visibile, un analista può dedurre ulteriori 
informazioni su un oggetto o individuar- 
ne altri camuffati. 

Una volta formata dalla macchina fo- 
tografica, l'immagine al suolo deve esse- 
re registrata e trasmessa per l'analisi e 
l'interpretazione alle attrezzature a fer- 
ra, La registrazione può essere fatta o su 
pellicola fotografica o su una schiera bi- 
dimensionale di rivelatori elctiroottici 
fotosensibili, chiamati dispositivi a scor- 
rimento di carica (o CCD da vharge- 
-ampled devive). Un rivelatore di questo 
tipo trasforma la quantità di luce ricevu- 
ta in un breve e determinato periodo di 
tempo in una quantità proporzionale di 
carica elettrica. In questo modo lo sche- 
ma luminoso crea sulla schiera dei rive- 
latori una copia elettrica di se stesso, che 
a sua volta viene convertita in una se- 
quenza dì numeri, la quale è poi trasmes- 
sa a un ricevitore a terra. Le attrezzature 
della stazione a terra trasformano in una 
fotografia la copta elettrica dello schema 
luminoso che è stato registrato dalla 
schiera dei rivelatori. Il processo viene 
poi ripetuto e viene registrata una nuova 
immagine. 

Nei sistemi con una grande distanza 
focale le schiere elettroottiche possono 
raggiungere dimensioni di pixel parago- 
nabili alla migliore pellicola fotografica. 
Esse presentano inoltre numerosi van- 
taggi rispetto alle pellicole. Le immagini 
registrate su pellicola possono essere 
trasmesse nell'uno o nell'altro dì due 
modi: si può sviluppare la pellicola a 
bordo del satellite in modo analogo a 
quello in cui opera una Polaroid, e in tal 
caso Timmagine viene trasmessa succes- 
sivamente con un sistema simile a una 
telecamera; oppure la pellicola può es- 
sere espulsa dai satellite dentro capsule 
speciali, le quali rientrano nell'atmosfe- 
ra e, grazie a un paracadute, scendono 
lentamente fino a essere prese a mezz'a- 
ria da un aereo particolarmente attrez- 
zato. Entrambi questi metodi provocano 
ritardi nel ricevimento delle immagini e 
limitano la vita utile del satellite, in 
quanto alla fine gli apparecchi fotografi- 
ci rimangono a corto di pellicola. Con 
l'ausilio di un satellite ripetitore, i rive- 
latori fotosensìbili installati a bordo dei 
satelliti statunitensi trasmettono in tem- 
po reale, ossia mentre le osservano, le 
scene che sorvolano, Le immagini ri- 
create a terra hanno una gamma dina- 
mica superiore di molto a quella ottenu- 
ta per mezzo di pellicola fotografica; dì 
conseguenza non sono altrettanto sensi- 
bili a grandi cambiamenti nell'intensità 
dell'illuminazione. 

Dopo che l'immagine di una scena è 
stata ricevuta da una stazione a ter- 
ra è possibile accrescerne la qualità otti- 
ci! per mezzo di calcolatori veloci e di 
dispositivi di elaborazione specializzati. 




L'immagine radar di un grande vortice nel Golfo del Messico rivela la 
scia di una nave (in basso). Variazioni nella irregolarità della superficie 
associata al vortice e alla scia sono state registrate dal radar ad apertura 
sinletizzala a bordo del satellite Scasai. V elabora zio ne dell'immagine 



è stata effettuala al Jet Propulsimi Laboralurt del California Inslitute 
of Technology. Il vantaggio principali. 1 dei sistemi radar a bordo di 
satelliti consiste nel fatto che essi funzionano in qualsiasi ora del giorno 
o della notte e indipendentemente dalle condizioni meteorologiche. 



La tecnica è nota come elaborazione di- 
gitale delle immagini. È possibile per 
esempio eliminare da una fotografia la 
sfocatura delle linee e delle forme cau- 
sata dalla turbolenza, dalla mancata 
compensazione del moto, dalla sovrae- 
sposizione e dallo scarso contrasto alte- 
rando artificialmente le zone di grigio e 
accentuando quelle chiare e quelle scu- 
re. L'elaborazione delle immagini per- 
mette di identificare forme caratteristi- 
che (come quella di un silo missilistico 
visto dall'alto) in fotografie del terreno 
o di completare una scena un poco co- 
perta dalle nuvole. 

La capacità dei satelliti per la ricogni- 
zione fotografica dì raccogliere informa- 
zioni è limitata sia dal fatto che un siste- 
ma a luce visibile non può funzionare di 
notte, sia dal fatto che le radiazioni visi- 
bile, ultravioletta e infrarossa non pos- 
sono penetrare una coltre di nubi. Per- 
tanto il cattivo tempo e la notte polare 
potrebbero impedire ai satelliti statuni- 
tensi per la ricognizione fotografica di 
osservare estese zone dell'Unione So- 
vietica per periodi di tempo prolungati. 
Questo problema è stato risolto ricor- 
rendo a un'altra parte dello spettro elet- 
tromagnetico: le onde radio. 

Avendo una lunghezza d'onda supe- 
riore a quella della radiazione visibile, le 
onde emesse da un sistema radar non 



vengono modificate in misura significa- 
tiva da una coltre di nubi o dalla pioggia, 
Pertanto possono «illuminare» il loro 
bersaglio indipendentemente dalle con- 
dizioni meteorologiche. Poiché genera- 
no la propria radiazione riflessa, i radar 
possono funzionare a qualsiasi ora del 
giorno. Il potere risolutivo di un sistema 
radar è proporzionale alla lunghezza 
d*onda della radiazione che esso emette 
e inversamente proporzionale alla lun- 
ghezza della sua antenna: per questa ra- 
gione la risoluzione delle immagini radar 
del terreno è normalmente molto bassa. 
Si può aumentare il grado dì risoluzione 
facendo sì che alle onde radar riflesse 
l'antenna piuttosto piccola del satellite 
appaia molto lunga. Ciò si ottiene con un 
metodo noto come radar ad apertura 
sintetizzata (Sar). Un satellite sar com- 
bina la minuziosa elaborazione elettro- 
nica delle onde riflesse dall'obiettivo con 
il moto relativo del satellite rispetto alla 
superficie della Terra per ottenere im- 
magini radar ad alta risoluzione (si veda 
Kart ico 1 o Imm aghi ì ra dar delia Terra dal- 
lo spazio di Charles Elachi in « Le Scien- 
ze» n, 1 74, febbraio 1 983), La risoluzio- 
ne di un'immagine SAR non è elevata 
quanto quella di un'immagine analoga 
ripresa in luce visibile: e" è un limite pra- 
tico alle dimensioni alle quali un'anten- 
na «virtuale» può apparire alle onde ra- 



dio. Essa per altro è abbastanza buona 
da permettere agli Stati Uniti di seguire 
molte attività in aree dell'Unione Sovie- 
tica coperte da nubi o illuminate soltanto 
per qualche ora al giorno. 

Non è necessario che i radar siano a 
bordo di satelliti per fornire informazio- 
ni utili, t radar con base a terra* su nave 
o su aereo sono ì mezzi primari con i 
quali gli Stati Uniti ottengono informa- 
zioni sui missili sovietici mentre vengono 
sperimentati. Questa copertura è un 
buon esempio del sinergismo creato dal- 
la molteplicità di attrezzature operative 
di controllo degli Stati Uniti. Il lancio 
sperimentale di missili balistici sovietici, 
che ha luogo nelle basi di lancio di Ple- 
setsk e Tyuratam in Asia centrale, è pre- 
ceduto da molte attività, Per esempio, il 
primo allarme di un esperimento immi- 
nente potrebbe venire da un satellite per 
la ricognizione fotografica che ha ripreso 
il missile mentre viene preparato sulla 
rampa di lancio. Il segnale per attivare 
tutti i sensori potrebbe venire da comu- 
nicazioni intercettate o da satelliti da av- 
vistamento avanzato, immessi in orbile 
geostazionarie sopra l'equatore: questi 
satelliti «fissano» in continuazione l'U- 
nione Sovietica e possono rilevare la ra- 
diazione infrarossa emessa dal pennac- 
chio infuocato dei gas di scarico di un 
razzo non appena il missile esce dalla 



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l.:i capaci là di distinguere te esplosioni nucleari sotterranee dai terre moli si estende ormai Uno 
a potenze esplosive d ti Tordi ne di un chiloton o anche meno* come risulla da questo grafico, 
basalo sul lavoro di Jack F. Evernden dell'US Geologica] Survey. Le curve in nero rappresen- 
tano i terremoti; quelle continue in colore esplosioni nucleari in roccia tenera e le tratteggiale 
esplosioni nucleari di cui viene ridotto l'effetto disponendo l'esplosivo in cavità di miniera. 



coltre di nubi sopra il sito di lancio. A 
quel punto il mezzo principale per rac- 
cogliere informazioni diventa il rileva- 
mento delle onde radio. 

Grandi radar con base a terra seguono 
il moto del missile durante i vari stadi 
della fase di spinta, Il radar può misurare 
continuamente e con grande precisione 
la velocita del missile e quindi la sua 
accelerazione misurando io spostamento 
Doppler del Tonda ri flessa. Quando 11 si- 
lo di lancio di un missile è troppo all'in- 
terno del territorio sovietico per essere 
osservato dai radar convenzionali con 
base a terra, gli Stati Uniti si servono di 
radar con portata «oltre l'orizzonte». 
Questi dispositivi proiettano fasci che la 
ionosfera, facendo da specchio, riflette 
all'interno delFUnione Sovietica, Un 
radar dì questo tipo fornisce informazio- 
ni utili anche sulla velocità di un mìssile. 

TJ adiorìcevitori sia a terra sia su satel- 
-" liti in orbite alte intercettano il flus- 
so di messaggi che i missili rimandano a 
terra durante gli esperimenti e che de- 
scrivono le prestazioni e le condizioni 
delle varie partì del missile. Questi mes- 
saggi, noti collettivamente come teleme- 
tria, comprendono informazioni sulla 
quantità dì combustibile bruciata, sugli 
ordini che il sistema di guida sta impar- 
tendo al razzo e sulla temperatura e sulla 
pressione alle quali sono sottoposte le 
varie parti del missile. Tutti questi se- 
gnali, necessari ai tecnici per controllare 
se il missile funziona secondo le previ- 
sioni, sono intercettati anche dalle at- 



trezzature di controllo statunitensi. Cor- 
relando questi dati telemetrici con infor- 
mazioni sul moto del missile raccolte dai 
radar a terra, i funzionari del servizio 
informazioni statunitense sanno non so- 
lo che un missile sovietico è stato speri- 
mentato ma, in gran parte* anche quali 
sono le sue caratteristiche operative. Al- 
cuni segnali telemetrici relativi a questo 
tipo di esperimenti sono stati cifrati dal- 
l'URSS allo scopo di renderli incom- 
prensibili agli analisti americani, una 
pratica contro la quale gli Stati Uniti 
hanno protestato sostenendo che in base 
al trattato, non ratificato, salt ii gli unici 
segnali che possono essere cifrati sono 
quelli non direttamente attinenti al con- 
trollo del trattato. Anche senza accesso 
alia telemetria non cifrata, però, gli Stati 
Uniti possono rilevare con estrema at- 
tendibilità Tesperimento missilistico so- 
vietico in questione e possono anche de- 
terminare certe importanti caratteristi- 
che operative di un missile balìstico, co- 
me il numero dei veicoli di rientro che 
sta trasportando. 

La fase finale dell'esperimento dì un 
missile balistico è costituita dal ritorno 
dei suoi veicoli di rientro nell'atmosfera 
e dal loro impatto al suolo. Dal momen- 
to che i fattori atmosferici influiscono 
sulla traiettoria di volo dei veicoli di 
rientro, informazioni sulle loro presta- 
zioni in questa fase terminale forniscono 
una misura importante della precisione 
del missile e la loro acquisizione è cru- 
ciale per T Un ione Sovietica. Per questo 
motivo, durante gli esperimenti missili- 



stici sovietici, i veicoli di rientro vengono 
diretti in attrezzate zone d'impatto o nel- 
la penisola di Kameatka o nell'oceano 
Pacifico centrale. Gli Stati Uniti hanno 
sviluppato tutta una gamma di sistemi di 
rilevamento che seguono il ritorno dei 
veicoli di rientro sovietici in queste aree. 
Radar a schiera in fase molto precisi (in 
grado di individuare a migliaia di chilo- 
metri di distanza oggetti grandi quanto 
un pallone da pallacanestro e di inseguir- 
ne simultaneamente centinaia), radiori- 
cevitori, telescopi per infrarosso e per 
luce visibile equipaggiati con macchine 
fotografiche e spettrometri a scansione 
rapida registrano con dovizia di parti- 
colari le varie forme di energia radiante 
emessa e riflessa dal veicolo di rientro. 
Alcuni di questi strumenti sono installati 
nell'isola di Shemya alla punta estrema 
delle Aleutìne e sull'atollo di Kwajalein 
nel Pacifico; altri sono trasportati da na- 
vi e da aerei e perfino da piccoli razzi 
sonda lanciati prima dell'arrivo del vei- 
colo di rientro, 

Da tutti questi dati, correlati e inter- 
pretati dagli analisti del servizio infor- 
mazioni, gli Stati Uniti possono valutare 
con un alto grado di attendibilità motte 
delle caratteristiche dell'arma sovietica 
sperimentata. (Per esempio, quanto è 
grande il razzo vettore? Guai 6 il raggio 
d'azione? Quanto pesano i veicoli dì 
rientro?) Altre caratteristiche sono mol- 
to più difficili da determinare. La preci- 
sione, per esempio, può essere stabilita 
solo statisticamente dalla traiettoria di 
volo e dal punto d'impatto dei veicoli di 
rientro. Se gli Siati Uniti non conoscono 
esattamente in quale punto i sovietici 
hanno indirizzato! loro veicoli di rientro, 
nelle loro stime sulla precisione dei vei- 
coli si introduce un notevole grado di 
incertezza. Anche la valutazione dell'af- 
fidabilità degli icbm e dei veicoli di rien- 
tro sovietici è incerta dal punto di vista 
statistico. Alcune caratteristiche sono 
estremamente difficili da determinare. 
La potenza esplosiva potenziale dell'ar- 
ma che verrà messa sul veicolo dì rientro 
può essere dedotta soltanto con grande 
approssimazione dal peso del veicolo. 
Ciononostante, si può fare sicuro affida- 
mento sui mezzi tecnici unilaterali ame- 
ricani di controllo degli esperimenti con 
missili balistici sovietici non soltanto per 
rilevare questo tipo di esperimenti, ma 
anche per fornire agli Stati Uniti moltis- 
sime informazioni sulle prestazioni dei- 
Tarma sperimentata. 

Le testate nucleari che i missili traspor- 
r tano debbono essere messe a punto 
per mezzo di esperimenti sotterranei. 
Questo stato di cose è la conseguenza del 
Limited Test Ban Treaty, firmato dagli 
Stati Uniti, dalla Gran Bretagna e dal- 
l'Unione Sovietica nel 1963 e che ban- 
diva tali esperimenti dall'atmosfera. La 
tecnologia di rilevamento necessaria per 
controllare gli esperimenti sotterranei sì 
basa su sismografi che rilevano le onde 
acustiche generate da un'esplosione, su 



attrezzature di registrazione e su calco- 
latori che analizzano ì dati. Se venissero 
ripresi, gli esperimenti nell'atmosfera 
sarebbero controllati facilmente da sa- 
telliti speciali e da tutto un insieme di 
altre tecniche, fra cui molte di quelle di 
cui abbiamo parlato. 

Le esplosioni sotterranee generano 
onde elastiche che si propagano per lun- 
ghissime distanze sia in superficie sia at- 
traverso la crosta terrestre. La magnitu- 
do e il punto di origine delle onde elasti- 
che possono essere determinati con l'au- 
silio di schiere di sismografi sensibili. I 
sismografi sono «accesi» permanente- 
mente e quindi rilevano e registrano tut- 
te le scosse telluriche, comprese quelle 
causate da un'esplosione. 

Un problema persistente nel rileva- 
mento sismico delle esplosioni nucleari 
sperimentali sotterranee era costituito 
dal fatto che tali esplosioni producono 
onde elastiche quasi analoghe a quelle di 
molti altri eventi naturali, come i terre- 
moti. Esisteva quindi il rischio dì scam- 
biare un'esplosione nucleare per un ter- 
remoto e viceversa. Ricerche successive 



hanno eliminato questa difficoltà salvo 
per le esplosioni nucleari più piccole (si 
veda l'articolo // contratto di un bando 
umile agii esperimenti nucleari di Lynn 
R. Sykes e Jack F. Evernden in «Le 
Scienze» n. 1 72. dicembre ì 982). Rima- 
nevano però due possibili sorgenti di 
evasione, L'Unione Sovietica avrebbe 
potuto predisporre di sperimentare una 
piccola esplosione nucleare durante un 
terremoto: le onde del terremoto avreb- 
bero così potuto coprire il segnale gene- 
rato dalla detonazione. Per un certo 
tempo sembrò anche che l'energia di un 
ordigno dì bassa potenza esplosiva po- 
tesse essere camuffata efficacemente fa- 
cendo esplodere l'arma in una grande 
cavità sotterranea: in questo modo l'e- 
splosione sarebbe sfuggita a qualsiasi ri- 
levamento al di fuori dell'Unione Sovie- 
tica. Dì recente però si è avuta notìzia 
che un gruppo di geofisìci dell'ufficio 
dell'US Geologica! Survey di Menlo 
Park, in California, ha messo a punto un 
modo per rilevare in maniera inequivo- 
cabile, con una migliore attrezzatura 
operativa di controllo, una piccola esplo- 



sione nucleare dell'ordine di un chiloton 
o anche meno. 

La nuova tecnica dì rilevamento si av- 
vale del fatto che un terremoto è un 
evento molto esteso: di conseguenza l'e- 
nergia acustica che esso emette è con- 
centrata a grandi lunghezze d'onda. 
Un'esplosione nucleare, d'altra parte* è 
un evento puntiforme che libera repen- 
tinamente nell'ambiente una quantità 
enorme di energia. Tanto l'estensione 
limitata quanto il carattere repentino di 
tale evento fanno sì che esso liberi la 
propria energia in onde molto più pic- 
cole e quindi di frequenza più elevata. 
Di conseguenza le onde dovute a un'e- 
splosione nucleare possono essere rile- 
vate e riconosciute per le loro caratteri- 
stiche di frequenza anche se sono ac- 
compagnate da quelle di un terremoto. 

Le onde dì un terremoto, per esempio, 
possono coprire il segnale dovuto all'e- 
splosione di un chiloton, di cui sì è cer- 
cato di ridurre l'effetto, fino a frequenze 
di circa 10 hertz {si veda Vilhtst razione 
nella pagina precedente). Le onde sismi- 
che, tuttavia, non contengono energia 



VERSO IL SATELLITE RIPETITORE GEOSTAZIONARIO 




La stazione sismica senza personale messa a punto ai Sandia National 
Laboratories potrebbe control Iure Poi temperanza a un trattato che 



preveda LI bando totale agli esperirli enti nucleari. In si si e in a di cinque 
stazioni di questo genere è in funzione negli Stati Uniti e in Canada. 



20 



21 



che kìu ri levabile ne Ha banda di frequen- 
ze al di sopra di circa 30 henz. mentre le 
onde dovute a un'esplosione contengo- 
no energia ri levabile fino a frequenze di 
parecchie centinaia di hertz. Per questo 
motivo i sismografi sintonizzati in modo 
da rilevare soltanto onde di alla frequen- 
za non «sentiranno» i terremoti; essi non 
verranno confusi dal rumore costante 
della Terra, ma rileveranno facilmente le 
onde generate dall'esplosione. 

Poiché le onde acustiche di alta fre- 
q uè ri za no n pe rcor ro n o 1 u n gh e d ist a nze 
attraverso la crosta terrestre, il loro rile- 
vamento richiederebbe rinsiallazione dì 
sismografi all'interno dell'Unione So- 
vietica, Questo problema politico poten- 
zialmente delicato è stato risolto dalla 
messa a punto di una stazione sismica 
senza personale- Ai Sandia National La- 
boratories un gruppo dì ricercatori ha 
ideato, sperimentato e messo in opera 
negli Stati Uniti e nel Canada, per far 
pratica e a fini dimostrativi, cinque sta- 
zi orti sismiche senza personale (si veda 
l'illustra: tane nella pagina precedente). 
Uueste stazioni comunicano costante- 
mente mediante collegamento via satel- 
lite con un impianto centrale di controllo 
negli Stati Uniti» il che le rende pratica- 
mente a prova di manomissione. Duran- 
te le trattative per un bando totale agli 
esperimenti, che furono interrotte dagli 
Stati Unii i nel 1 980 dopo l 'invasione so- 
victìca dell'Afghanistan, TUnione So- 
vietica ha accettato una proposta per la 
collocazione di stazioni di questo tipo sul 
suo territorio. Sembra pertanto che non 
vi siano ostacoli di ordine tecnico alla 
possibilità di controllare con grande si- 
curezza esperimenti nucleari sotterranei 
che liberano quantità estremamente ri- 
dotte di energia dell'ordine di un chilo- 
ton o meno. 

Itre tipi di mezzi tecnici nazionali che 
permettono di controllare le attività 
sovietiche dì cui abbiamo parlato -quelli 
che creano immagini, quelli che rilevano 
le onde elettromagnetiche emesse o ri- 
flesse dai missili durante gli esperimenti 
e quelli che «percepiscono» le onde acu- 
stiche - esemplificano le raffinate capa- 
cità operative di controllo degli Stati 
Uniti. Anzi, la dovizia di particolari che 
gli Stati Uniti sono in grado di rilevare 
suggerisce il tipo di clausole di un tratta- 
to che gli Stari Uniti possono e non pos- 
sono controllare. Il punto è importante: 
il principio guida per l'accettazione di 
qualsiasi clausola di un trattato deve es- 
sere che gli Stati Uniti possano essere 
sicuri di scoprire eventuali violazioni che 
potrebbero minacciare la loro sicurezza 
nazionale. La possibilità che gli Stati 
Uniti rilevino tali violazioni dipende sia 
da ciò che essi considerano come una 
minaccia per la loro sicurezza nazionale, 
sia dalle proprietà fisiche del sistema 
d'arma o dall'attività militare limitata 
dal trattato. 

Per fare un esempio, considerate le 
stazioni sismiche senza personale all'in- 



terno deirUnione Sovietica, con quali 
clausole di un trattato che limiti gli espe- 
rimenti nucleari sotterranei i rivelatori 
sismici americani possono controllare 
l'ottemperanza? Abbiamo già dimostra- 
to che con tali stazioni gli Stati Uniti 
possono rilevare esperimenti nucleari 
sotterranei di una potenza esplosiva del- 
l'ordine di un solo chiloton. Questa ca- 
pacità permette davvero agli Stati Uniti 
dì aderire a un trattato che metta al ban- 
do tutti gli esperimenti nucleari sotter- 
ranei, fiduciosi che venga individuata 
qualsiasi violazione sovietica che metta 
in pericolo la sicurezza americana? L'U- 
nione Sovietica potrebbe però tentare di 
compiere esperimenti mollo al di sotto 
del livello americano di rilevamento, 
conducente un esperimento clandesti- 
no, poniamo, di Ì00 tonnellate. I sovie- 
tici hanno già condotto, peraltro, centi- 
naia di esperimenti di entità molto mag- 
giore; per di più, un esperimento di 100 
tonnellate sarebbe 1000 volte inferiore 
alla loro arma nucleare strategica più 
piccola e 250 000 volte inferiore a quella 
più grande. Molto probabilmente, dun- 
que, essi non trarrebbero alcuna infor- 
mazione utile da un esperimento di livel- 
lo tanto basso, anche se si trattasse dì un 
nuovo tipo di arma. È difficile quindi che 
un esperimento molto al di sotto del li- 
vello di rilevamento di un chiloton possa 
minacciare la sicurezza degli Stati Uniti. 
Per contro, qualsiasi esperimento che 
possa dare loro informazioni utili ver- 
rebbe certamente individuato. Pertanto 
il confronto tra ciò che gli Stati Uniti 
devono necessariamente rilevare in ma- 
niera attendibile e ciò che possono rile- 
vare in maniera attendibile in esperi- 
menti nucleari sotterranei porta alla 
conclusione che gli Stati Uniti potrebbe- 
ro controllare abbastanza bene un ban- 
do totale agli esperimenti, cosi da salva- 
guardare la loro sicurezza nazionale. 

Valutazioni analoghe si possono fare 
a proposito della capacita degli Stati 
Uniti di controllare gli esperimenti mis- 
silistici sovietici. Per esempio, questa ca- 
pacità è all'altezza di controllare un ac- 
cordo che limiti i miglioramenti da ap- 
portare alla precisione degli ICBM? 11 de- 
terminare unilateralmente la precisione 
di un missile osservando gli esperimenti 
di un missile balistico è, nel migliore dei 
casi, statisticamente incerto, e quindi i 
miglioramenti in fatto di precisione ot- 
tenuti senza tenere conto di una limita- 
zione sarebbero difficili da individuare, 
D'altra parte, se gli Stati Uniti decidono 
che è importante tenere sotto controllo 
La precisione sovietica, ce un'altra pos- 
sibile alternativa: mettere al bando ogni 
esperimento di missili balistici. Control- 
lare che un esperimento di un missile 
balistico abbia avuto luogo è una cosa 
che si può fare con un alto grado di af- 
fidabilità. Di fatto, data la molteplicità 
di mezzi di cui gli americani dispongono 
per rilevare questi esperimenti, le possi* 
bilità che gli Stati Uniti rilevino una sin- 
gola prova di volo sovietica sono certo 



superiori al 90 per cento. Per determi- 
nare con sicurezza la precisione di un 
nuovo missile sono necessari almeno 
venti voli dì prova, Pertanto, anche se gli 
Stati Uniti possono essere sicuri di rile- 
vare l'esperimento di un missile balistico 
sovietico soltanto nel 90 per cento dei 
casi, la probabilità che non rilevino uno 
dei 20 voli di prova e pari soltanto a uno 
su 100 miliardi di miliardi ( I0 2n ), In po- 
che parole, un trattato che metta al ban- 
do completamente la sperimentazione di 
missili balistici potrebbe essere control- 
lato con sicurezza. Inoltre, siccome gli 
Stati Uniti possono stabilire il numero 
dei veicoli di rientro che un missile bali- 
stico è in grado di portare sul bersaglio, 
un altro trattato controllabile sarebbe 
quello che limita le prove di volo a quei 
missili progettati per portare una sola 
testata. 

Quando si passa poi alle possibilità di 
controllo della produzione e dello 
spiegamento di armi strategiche sovieti- 
che, non ci sono molti dubbi sul fatto che 
i satelliti americani per la ricognizione 
fotografica possano rilevare e contare in 
modo certo quei grandi sistemi dì vettori 
dì armi strategiche che sono gli ICBM, i 
missili balistici lanciati da sommergibili 
{si.bm), i sommergibili e ì bombardieri. 
Il problema chiave è questo: con quale 
precisione è necessario che questi siste- 
mi di arma siano controllati in modo da 
garantirsi contro l'erosione della sicu- 
rezza nazionale degli Stati Uniti provo- 
cata da violazioni di trattati che ne limi- 
tino o ne proibiscano la produzione o lo 
spiegamento? 

Mantenere segrete eventuali attività 
compiute in violazione a un trattato che 
metta al bando un intero sistema di armi 
è particolarmente difficile. Le attività di 
vasta scala inerenti allo sviluppo, alla 
sperimentazione, alla produzione e allo 
spiegamento di un numero significativo 
di qualsiasi arma di grandi dimensioni si 
individuano facilmente* Anzi, qualsiasi 
tentativo di nascondere tali attività sa- 
rebbe ostacolato dal fatto che i sovietici 
non sanno esattamente ciò che gli Stati 
Uniti sono in grado di rilevare. Quindi 
non sanno che cosa cercare di nascon- 
dere e non sanno neppure con quale ac- 
curatezza è necessario, da parte loro, 
tentare di occultare i particolari di mu- 
tamenti visibìli che verrebbero provocati 
dalla produzione proibita di un'arma 

La fiducia nella possibilità di control- 
lare ì limiti numerici posti a un sistema 
dì armi dipenderebbe dal numero delle 
armi permesse. In linea di massima è 
difficile avere fiducia nel controllo di ac- 
cordi che consentano un numero ridotto 
di armi. Il bando totale a un sistema 
missilistico sarebbe più facile da control- 
lare di un accordo che consenta, ponia- 
mo, 100 di tali missili a ognuna delle due 
parti. Se sì partisse dal presupposto che 
i sovietici non ne avessero affatto, non 
appena i sistemi operativi dì controllo 
americani ne individuassero uno, risul- 



22 



terebbe subito evidente che i sovietici 
hanno violato raccordo. Se però raccor- 
do ne permettesse 100, sarebbe diffici- 
lissimo sapere se essi ne hanno 1 00 o 
1 20. L'ottemperanza a eventuali accordi 
sul controllo degli armamenti che proi- 
biscano completamente un sistema di ar- 
mi, una pratica o un'attività è molto più 
facile da individuare e da controllare 
del rotte mperanza ad accordi che con- 
sentano un numero ridotto di armi, 

L'Unione Sovietica ha per altro deci- 
ne di sommergibili e di bombardieri, un 
migliaio di SLBM e circa 1400 icbm. Si 
dice spesso che gli Stati Uniti siano in 
grado di controllare queste cifre con un 
margine di errore del 10 per cento o 
meno (una pretesa credibile alla luce 
della precedente disamina sulle capacità 
di controllo americane). Questa stima 
implica che gli Stati Uniti siano in grado 
di controllare l'ottempera nza a precisi 
limiti numerici con un margine di incer- 
tezza di qualche sommergibile o bom- 
bardiere e forse di 100 SLBM o icbm. 
Dato il numero elevato di armi di cui 
entrambe le potenze dispongono attual- 
mente, questa precisione in fatto dì con- 
trollo sembra più che sufficiente a garan- 
tire la sicurezza degli Stati Uniti nell'am- 
bito di un trattato che limiti la produzio- 
ne di armi strategiche. 

Un caso speciale è il problema presen- 
tato dai missili da crociera, piccoli «ve- 
lìvoli» radiocomandali lunghi alcuni me- 
tri. In questo caso il principale fattore di 
complicazione è che lo stesso tipo di mis- 
sile da crociera può essere adatto sia per 
il trasporto di una testata nucleare sia 
per il trasporto di una testata convenzio- 
nale. Il compito quindi di distìnguere i 
missili da crociera che trasportano testa- 
te nucleari da quelli che trasportano te- 
state convenzionali è di una difficoltà 
estrema. È probabile che qualsiasi trat- 
tato controllabile riguardante i missili da 
crociera debba considerare il numero to- 
tale concesso, senza distinzione tra testa- 
te nucleari e convenzionali. 

Abbiamo parlato dì una molteplicità 
di potenti tecnologie dì telerilevamento, 
ma soltanto dì alcune loro applicazioni 
in fatto di controllo. (Non si è detto nul- 
la, per esempio» sul modo in cui queste 
tecnologie potrebbero servire a control- 
lare un trattato riguardante le armi anti- 
satellite.) Inoltre, le effettive capacità 
degli Stati Uniti di raccogliere informa- 
zioni .segrete sono molto maggiori di 
quanto si sia detto in questa sede. Non 
solo le tecnologie di controllo sono trop- 
pe per poterle discutere in un articolo 
come questo, ma. fatto ancora più signi- 
ficativo, la natura del processo di raccol- 
ta delle informazioni è tale che molti dei 
metodi e delle fonti per mezzo dei quali 
gli Stati Uniti vengono a conoscenza del- 
le azioni sovietiche sono classificati. An- 
che la nostra trattazione necessariamen- 
te limitata fa pensare che la ricca capa- 
cità di telerilevamento degli Stati Uniti 
sia in grado di controllare adeguatamen- 
te una vasta gamma dì trattati. 



NOVITÀ NELLA SERIE 
LE SCIENZE quaderni 



n, 23 aprile 1985 

L'evoluzione dei circuiti 

integrati e la messa 

a punto di componenti capaci 

di funzionare a velocità 

elevatissime rendono 

la microelettronica sempre 

più competitiva ed efficiente. 

LE SCIENZeI 

quaderni 



n. 24 maggio 1985 

La conoscenza sempre più 

estesa e approfondita dei 

meccanismi che sono alla base 

dei movimenti tellurici 

apre la strada a una previsione 

su basi scientifiche 

dei terremoti. 




TECNOLOGIE 

PER L'ELETTRONICA 






LE SCIENZE 

quaderni 


24 






^. 4MB 


A ^4 




1 TERREMOTI 




■ " ■ * ■ «Ili '■ -l ■ >!<■" t *P> 

* full mm ■ ■■ «w^t'i— « 







In questo numero; 

La fabbricazione dei circuiti 

microelettronici 

dì W. G. Oldham 



Tecnologie per VLSI 
dì G, Zocchi 



Tecniche di montaggio 

in microelettronica 

di A. J. Blodgett. Jr, 

Super-reticoli a stato solido 
di G. H. Dohler 



HEMT: un transistore superveloce 
dì KL Morkoc e P. M. Salomon 



li laser & 
di W. % Tsang 

// transistore ottico 

di E. Abraham. C T\ Seaton 

e S. D. Smith 



// calcolatore a superconduzione 
di J. Matisoo 



In questo numero; 

La struttura dell 'interno terrestre 
di B. A. Boli 

Le oscillazioni libere della Terra 
di F. Press (da «Scìentific American») 

Tomografia sismica 

di D. L. Anderson e A. M> Dziewonskì 

Proprietà della litosfera terrestre 

di R, Sabadtni e E, Boschi 

// movimento del suolo nei terremoti 

di D. M, Boore 

Proprietà plastiche delle rocce 

e meccanismo dei terremoti 
di M, Bonafedc e M Dragoni 

La faglia di San Andreas 

di D. L. Anderson 

// moto dei cataloghi sismici 

nella previsione dei terremoti 

di P, Gasperinì. F. Mulargìa e S> Tinti 

Deformazioni crostali e sismicità 

dì V. Achilli, P. Baldi e S. Zerbini 

La previsione dei terremoti 
di F. Press 

Ultimi sviluppi nella previsione dei terremoti 

di E. Boschi e M, Dragoni 

California: dalla previsione 

alla prevenzione sismica 

dì R, L. Wesson e R. E. Wallace 



In vendita in edicola e ir» librerìa. 
Prezzo di copertina L. 4500. 



Macchine che comprendono 

la voce 

Sfruttando la potenza dei moderni calcolatori numerici, è possibile 
interpretare il segnale vocale in termini di elementi fonetici 
significativi del linguaggio, mediante tecniche di ricerca su grafi 

dì Roberto Pieraccini 



Il linguaggio parlato* frutto di un pro- 
cesso cognitivo che ha permesso in 
millenni di evoluzione del genere 
umano la specializzazione di strutture 
cerebrali, ha raggiunto con YHomo sa* 
pìens un così elevato grado di complessi- 
tà da richiedere l'uso di diversi livelli di 
conoscenza: acustica* lessicale, sintatti- 
ca, fino a giungere* con i concetti seman- 
tici e pragmatici* ai livelli più astratti e 
più lontani dal mezzo fisico che li tra- 
sporta, il segnale acustico emesso dal- 
l'apparato fonatorio. Ciononostante, ci 
appare così semplice e così naturale da 
usare che viene coinvolto nella maggior 
pane delle nostre azioni e risulta insosti- 
tuibile nei rapporti con i nostri simili. 
Nessun altro mezzo di comunicazione 
può essere paragonato a esso in termini 
di efficacia e potenzialità. 

In questi ultimi anni esorta l'esigenza 
di utilizzare il linguaggio parlato per 
comunicare non più solamente con gli 
esseri umani, ma anche con quei sistemi 
che, a un ritmo incalzante, stanno en- 
trando nella vita dì tutti i giorni: i calco- 
latori elettronici, Si è sviluppata così una 
nuova branca della scienza dei calcola- 
tori, chiamata «riconoscimento automa- 
tico della voce» (asr dall'inglese Auto* 
marie Speech Reeognirion), che coi n voi* 
gè un gran numero di discipline* quali 
l'ormai consolidata teoria dei segnali, la 
fonetica, l'informatica* la psicologia e 
l'intelligenza artificiale. 

Le applicazioni dell' ASR sono innu- 
merevoli. Per fare un solo esempio, si 
pensi a un grande istituto bancario o a 
una società assicuratrice, Le cui filiali 
hanno l'esigenza di scambiare quotidia- 
namente informazioni con il centro di 
calcolo. Attualmente lo scambio di dati 
avviene mediante terminali video o tele- 
scriventi, apparecchiature relativamen- 
te costose. Inoltre l'operatore deve esse- 
re a conoscenza del linguaggio di accesso 
alla base di dati. Utilizzando un'appa- 



recchiatura ASR, ciascuna filiale potreb- 
be comunicare con il calcolatore centra- 
le mediante un semplice telefono par- 
lando in linguaggio naturale, anche se 
con alcuni vincoli lessicali e sintattici. 

Siamo ancora lontani da applicazioni 
pratiche di questo genere, ma non siamo 
più nemmeno nel campo della fanta- 
scienza: già oggi siamo in grado di co- 
struire prototipi da laboratorio capaci 
di comprendere brevi frasi con una sin- 
tassi retati vamenie rigida e appartenenti 
a un dominio semantico ben delimitato. 

T * apparato vocale può essere schema- 
*—* lizzato come un tubo acustico in 
grado di variare la propria forma nel 
tempo, eccitato da una sorgente di ener- 
gia. Il tubo acustico è costituito da quel 
tratto dell'apparato respiratorio che va 
dalla glottide alle labbra, eventualmente 
accoppiato alla cavità nasale, e ha in 
genere una funzione filtrante sul segnale 
alimentato dalla sorgente di energia, che 
può essere individuata nei polmoni. 

È possibile altresì individuare diversi 
meccanismi mediante i quali siamo in 
grado di produrre tutti i suoni di una 
lingua (faremo riferimento nel seguito 
alla lingua italiana). Il primo* responsa- 
bile dei suoni cosiddetti vocalizzati, uti- 
lizza un'apertura, le «corde vocali», che 
si trova nella laringe all'altezza della 
glottide. Tale apertura è in grado di 
aprirsi e chiudersi a un ritmo (detto fre- 
quenza fondamentale) variabile dagli 80 
ai 200 periodi al secondo (nel caso del 
parlato normale), producendo così un 
segnale acustico periodico di forma qua- 
si triangolare. Il segnale* passando at- 
traverso il tubo acustico, viene filtrato 
acquistando caratteristiche spettrali 
determinate dalla forma assunta dal 
tubo acustico stesso. 

Le vocali sono suoni (o fonemi) voca- 
lizzati. A esempio nella lìl il tubo acusti- 
co assume una configurazione nella qua- 



le si può individuare un punto di costri- 
zione molto vicino alle labbra, mentre 
nel pronunciare una lo! la costrizione si 
trova più indietro, verso la glottide. Esi- 
stono però anche alcune consonanti che 
possono essere considerate vocalizzale. 
Quando vengono pronunciate una Imi o 
una ini (consonanti nasali), utilizziamo 
Io stesso meccanismo delle vocali; l'uni- 
ca differenza sta nel fatto che in questo 
caso il velo palatino È abbassato, per- 
mettendo all'aria proveniente dalle cor- 
de vocali di fluire attraverso la cavità 
nasale, che si comporta quindi come un 
secondo tubo acustico posto in parallelo 
a quello principale. 

Le fricative sorde (/f/, /s/, id dolce 
come nella parola cena) sono prodotte 
invece mediante un diverso meccani- 
smo, li segnale filtrato dal tubo acustico 
non è più quello prodotto dalle corde 
vocali, bensì viene generato dalla turbo- 
lenza del flusso d'aria che si crea in corri- 
spondenza di una costrizione del cavo 
orale. Questo segnale ha caratteristiche 
di rumore e quindi non presenta una 
struttura periodica. La pronuncia della 
fgf dolce (come in gelo) della Ni e della 
ili (fricative sonore) utilizza entrambe le 
sorgenti viste precedentemente; infatti il 
tubo acustico è eccitalo da un segnale 
prodotto in parte dalle corde vocali e in 
parte dalla turbolenza dell'aria. 

Esiste infine un'altra categoria di suo- 
ni prodotta con un meccanismo total- 
mente diverso dai precedenti. Tali suoni 
sono detti esplosivi o occlusivi e com- 
prendono t fonemi /p/, /t/, id dura come 
in cane, ibi, /d/. tgt dura come i n ghiaccio. 
Durante la pronuncia di questi fonemi, 
l'aria viene compressa nella cavità orale 
mediante la chiusura delle labbra per un 
tempo dell'ordine dei 100 millisecondi. 
Alla fine di questa fase, detta stop, la 
seconda fase, consistente in una veloce 
fuoriuscita dell'aria (esplosione), pro- 
duce un breve impulso acustico dì con si- 




VELO PALATINO 



CAVITÀ NASALE 



CAVITA ORALE 



LINGUA 



GLOTTIDE 



CORDE VOCALI 



POLMONI 



SORGENTE 
PERIODICA 



SORGENTE 
CASUALE 




LABBRA 



GLOTTIDE 



• FREQUENZA FONDAMENTALE 



1 


^ < 


| 1 


* 


\ 






IMPULSI 
PERfODlCt 




























RUMORE 
BIANCO 






t 

V'NV 



G 



FILTHO 
VARIABILE 
NEL TEMPO 



PARAMETRI DEL FILTRO 



I :i sezione sagitf ak< dell'apparata fi ma torio ischrma a sinistra ì può 
essere rappresentata tome un tubo acustico cilindrico a se/ione varia- 
bile eccitalo da due diverse sorgenti (in atto a destrosi la Torma del 
tubo varia nel lempo con l'evolversi del fenomeno acustico. La sor- 
gente periodica (individuabile nelle corde vocali, le quali aprendosi e 
chiudendosi ritmicamente trasformano il flusso d'aria proveniente dai 
polmoni in un segnale periodico) e responsabile dei suoni vocalizzati 
(per esempio vocali, nasali e liquide). Un allru tipo di eccita/ione è 
dovuto alia sorgente casuale (la quale è causata dalla turbolenza 



dell'aria che si crea in prossimità di una occasionale ostruzione della 
cavità orale e genera un segnale te cui carulterhlkbe sono quelle del 
rumore bianco k essa è responsabile dei suoni non vocalizzali (fricative 
e occlusive sorde, per esempio). In basso a destra e riparlai" un 
modello elettrico semplificato del meccanismo di produzione della 
voce. Attraverso il commutatore V/NV (vocalizzato non vocalizzalo) 
viene selezionala la sorgente di eccitazione; il segnale è amplificato di 
un fattore Ci e filtralo attraverso un filtro elettrico le cui caratteristiche 
variano net lempo come le caratteristiche filtranti del tubo acustico. 



derevole intensità. Anche l'esplosione 
può essere vocalizzata (come nelle e- 
splosive sonore ibi. Idi. igi di ghiaccio) 
se durante la fuoriuscita d'aria vengono 
Utilizzate le corde vocali. 

1 suoni elementari o fonemi (la lingua 
italiana ne conta circa 30) si contraddi- 
stinguono dunque dalla forma che as- 
sume il tubo acustico durante la loro 
produzione e dal tipo di eccitazione 
(vocalizzata* non vocalizzata, esplosione 
ecc.). Ma esistono altre caratteristiche, 
dette soprasegmentali, che pur non es- 
sendo distintive intervengono durante il 
normale eloquio conferendo alla lingua 
parlata quella naturalezza e quella ric- 
chezza di informazioni sulla sintassi, sul 
significalo delle frasi, sullo stato d'ani- 
mo di chi parla, che la contraddistinguo- 
no da tutti gli altri mezzi di comunica- 
zione. Queste caratteristiche sono es- 
senzialmente: la durata dei singoli suoni, 
la loro intensità e la frequenza fonda- 
mentale durante la vocalizzazione. Sap- 
piamo per esempio che al fondo di una 
frase interrogativa si verifica un aumen- 
to della frequenza di vibrazione delle 
corde vocali, come una diminuzione è 
osservabile nei suoni vocalizzati in finale 
di una frase esclamativa. È anche noto, 



per esempio* che si ha un accorciamento 
rispetto alla normale durata di una voca- 
le in finale di parola quando questa è 
seguita da una parola iniziarne per voca- 
le (tale accostamento è detto sinalefe), 
oppure che l'intensità dell'onda sonora 
aumenta in corrispondenza de! soggetto 
grammaticale di una frase dichiarativa. 
Ouesti fenomeni e moltissimi altri che 
contribuiscono alla prosodia della lingua 
parlata sono molto difficili da analizzare 
e da quantificare a causa della loro mar- 
cata dipendenza da tutte quelle sorgenti 
di conoscenza (fonetica, lessicale, sintat- 
tica, semantica, pragmatica) che inter- 
vengono nella produzione della voce e 
sono attualmente oggetto di studio, spe- 
cialmente da parte dei linguisti e degli 
psicologi sperimentali. 

TI fonema è un'astrazione teorica: non 
*• esiste come entità a sé stante. Infatti 
le parole sono formate da sequenze di 
suoni e le frasi da sequenze di parole; 
quindi, nel passaggio da un suono all'al- 
tro il tubo acustico passa da una configu- 
razione alla successiva in modo contì- 
nuo, producendo intervalli di segnale le 
cui caratteristiche spettrali variano in 
modo molto rapido (transizioni). Perciò 



i fonemi nel parlato correrne si realizza- 
no in un transitorio iniziale, nel quale le 
caratteristiche spettrali del segnale si 
e%'olvono da quelle del fonema prece- 
dente a quelle del fonema in questione, 
in una zona con caraneristiche staziona- 
rie e in un transitorio di evoluzione spet- 
trale verso il fonema successivo. Alme- 
no nelle sue porzioni transitorie, la rea- 
lizzazione fisica del fonema (detta in 
genere allofono) è fortemente dipen- 
dente dal contesto fonetico in cui è inse- 
rita. Ad esempio la/m/ nella parola amo 
si realizza in un segnale acustico diffe- 
rente dalla imi della parola uomini; per 
questo si parla di due diversi allofoni del 
fonema imi. 

Il fenomeno, che prende il nome di 
coarticolazione, aumenta in modo note- 
vole il numero effettivo di eventi acustici 
distinti di una lingua parlata. Si possono 
comunque definire eventi acustici ele- 
mentari che risultano abbastanza indi- 
pendenti dal contesto. Questi elementi 
sono chiamati difoni e sono definiti 
come segmenti di segnale acustico che 
vanno dalla metà della parte stazionaria 
dì un fonema fino alla metà della pane 
stazionaria del fonema successivo. Per- 
ciò i difoni comprendono interamente 



24 



25 



io 



tu o 
«m -10 
ÉO -20 

-" -40 



siz^rs: 



fcìfl 

^m -io 
wO -20 
t g -30 



























































12 3 4 
FREQUENZA (CHILOHERTZ) 



12 3 4 
FREQUENZA (CHILOHERTZ) 



■^rr 10 

— tu n 

Sa -io 

ujO -20 
-"-40 



\f\T^ 



«3 10 

£w ° 
w m _ 10 

ÈO-20 
?~-4G 



























































12 3 4 
FREQUENZA (CHILOHERTZ) 



12 3 4 
FREQUENZA (CHILOHERTZ), 




I t" ■ H » j tt p IMH^ 



n ii n i iiiMi i i' v i m i n n i ii i i n ni i i i ii i tmiiiiiiiimu t r-rvi n m p n t n 1 1 1 1 

imf 2&f jàff «i» seti W Tee 1 eee 1 see 1 jeea' 
TEMPO (MILLISECONDI) 

M sonogramma è una rappresentazione della voce su tre assi; Tasse orizzontale rappresenta il 
tempo (in millisecondi!. Tasse verticale la frequenza (in chilohertz ) mentre Tasse perpendito- 
tare al foglio, rappresentato dal maggiore o minore annerimento delle linee, corrisponde al 
contributo energetico per una data frequenza a un dato istante. Si untino le st nature orizsontali, 
dette formanti, carati eristiche dei suoni vocalizzati. Le formanti corrispondono alle frequenze 
di risonanza del trattu vocale, quando esso assume una determinata configurazione articola* 
loria. In figura esse sono hen visibili in corrispondenza dei suoni l . t e /, r . li Osser- 
vando la forma d'onda riportata sotto il monogramma si può notare la marcala periodicità dei 
suoni vocalizzati, mentre la fricativa / s I denota caratteristiche di rumore. In corrispondenza 
delle esplosive ìli e / d / è visibile la quasi totale assenza di energia precedente all'esplosione. 
Nei riquadri in alto sono riportati gli spettri dei segmenti di segnale indicati dallo frecce. 



la transizione fra due fonemi e, se per 
esempio una lingua prevede 30 fonemi, 
si possono avere 30 x 30 = 900 difoni. 
Chiaramente la struttura fonologica di 
una lingua non permette tutti \ possibili 
accostamenti tra ì fonemi (ad esempio 
in italiano non esìstono parole con la 
sequenza /bv/ oppure /vs/) e quindi il 
numero di difoni si riduce dì qualche 
centinaio. 

Un'altra sorgente di variabilità del 
segnale vocale che produce notevoli 
implicazioni nel progetto di un sistema 
di riconoscimento è dovuta alle diffe- 
renze di pronuncia che sì verificano sia 
fra parlanti differenti, sia nelle frasi e 
parole pronunciate in tempi diversi dalla 
stessa persona. Esistono differenze ma- 
croscopiche fra i parlanti, essenzialmen- 
te dovute al dialetto e ai difetti di pro- 
nuncia, che comunque possono essere 
previste nel progetto di un riconoscttore 
del parlato; ciò che invece non può esse- 
re previsto è la variabilità spettrale nella 



voce prodotta da diverse persone. Infatti 
le dimensioni e le caratteristiche fisiolo- 
giche dell'apparato vocale variano da 
persona a persona, come varia il modo di 
articolare i diversi suoni. Inoltre anche 
la voce prodotta da uno stesso soggetto 
rivela una notevole varianza nelle carat- 
teristiche di un dato suono pronunciato 
in tempi diversi. 

La voce deve quindi essere considera- 
ta un fenomeno casuale (in termini più 
esani, un processo stocastico) e il suo 
trattamento richiede Fuso di tecniche di 
tipo statistico le cui prestazioni, ovvia- 
mente, non sono prevedibili in modo 
deterministico ma vanno interpretate 
secondo il concetto di probabilità. 

Un modo efficiente per visualizzare 
Involuzione spettrale del segnale vocale 
è costituito dal stenogramma. Il sono- 
gramma è una rappresentazione su tre 
assi; tipicamente Tasse orizzontale rap- 
presenta il tempo, quello verticale la 
frequenza e il terzo, visualizzato dal 



maggiore o minore annerimento del di- 
segno, l'intensità. È così possibile segui- 
re l'andamento dei contributi energetici 
alle varie frequenze durante la pronun- 
cia di una data frase; in particolare è 
molto significativo l'andamento delle 
tipiche striature orizzontali (chiamale 
formanti) che corrispondono alle fre- 
quenze di risonanza del tratto vocale e 
sono quindi direttamente correlate ai- 
Te voluzione della sua configurazione 
articolato ri a. 

Le tecniche per riconoscere automati- 
J camente la voce sono notevolmente 
complesse, e non possono essere realiz- 
zate mediante sistemi analogici, ma ri- 
chiedono l'uso di un calcolatore numeri- 
co come unità di elaborazione. Ma come 
è possibile introdurre la voce in un calco- 
latore? 11 problema viene risolto tra- 
sformando il segnale elettrico fornito da 
un microfono in una successione di 
numeri in codice binario, direttamente 
utilizzabili da un calcolatore. 

La possibilità di effettuare questa 
numerizzazione dei segnali ci viene ga- 
rantita dal teorema del campionamento, 
formulato da H. Nyquist negli anni ven- 
ti. Questo teorema afferma che un se- 
gnale continuo può essere completa- 
mente rappresentato e perfettamente 
ricostruito attraverso una serie dì misu- 
re, o campioni, effettuate sulla sua am- 
piezza a regolari intervalli di tempo. 
L'intervallo fra tali campioni non deve 
però essere superiore al semiperiodo 
della più alta frequenza presente nel 
segnate stesso. Quindi se it segnale non 
contiene frequenze superiori a 4000 
hertz (e questo può essere garantito da 
un filtraggio passa-basso effettuato sul 
segnale prima del campionamento) i 
campioni devono essere estratti con un 
ritmo dì almeno 8000 al secondo (si 
veda anche T artico lo La riproduzione 
digitale del suono di John Monforte, in 
«Le Scienze*, n. 198, febbraio 1985). 
Questa rappresentazione è però ancora 
troppo complessa per poter essere effi- 
cientemente elaborata. 

Occorre inoltre considerare che l'in- 
formazione contenuta nella forma d'on- 
da del segnale vocale è affetta da una 
notevole ridondanza. Cioè, gran parte di 
tale informazione può essere eliminata 
mantenendo inalterate le caratteristiche 
del segnale che rendono i vari suoni per- 
cettivamente diversi. Dobbiamo quindi 
riuscire a trasformare la forma d'onda in 
una configurazione più semplice che 
contenga possibilmente tutta e sola l'in- 
formazione discriminante i vari eventi 
fonetici. Una rappresentazione di que- 
sto tipo viene in genere indicata con il 
termine pattern (configurazione). 

Esistono diversi metodi per estrarre 
una configurazione del segnale vocale e 
ancora non si conosce con certezza quale 
dì essi permetta di ottenere in assoluto le 
migliori prestazioni al fine del ricono- 
scimento della voce. Uno di questi è il 
cosiddetto metodo delle bande critiche. 



L orecchio umano è capace di sintoniz- 
' zarsi su un certo numero di bande di 
frequenza (bande critiche o articolato- 
ne), rilevabili con esperimenti di tipo 
percettivo. È ragionevole pensare che 
questo meccanismo, probabilmente alla 
base della percezione umana, opportu- 
namente simulato dia buoni risultati nel 
riconoscimento automatico del parlato. 
Abbiamo visto che il segnale vocale è 
in continua evoluzione spettrale; ciono- 
nostante, date le caratteristiche mecca- 
niche dell'apparato fonatorio, può, con 
buona approssimazione, essere ritenuto 
stazionario (dal punto di vista delle ca- 
ratteristiche spettrali) in intervalli del- 
l'ordine dei millisecondi. Supponiamo 
quindi di suddividere il segnale in inter- 
valli consecutivi della durata di 10 mil- 
lisecondi che chiameremo «finestre» 
{/rame in inglese), Ciascuna finestra di 
segnale possiede ben determinate carat- 
teristiche spettrali, rilevabili calcolan- 
done lo spettro di energia. (Lo spettro di 
energia è una curva dell'energia in fun- 
zione della frequenza, L'area di tale cur- 
va fra due valori di frequenza /i e /: è 
proporzionale al contributo energetico 
al segnale dell'intervallo di frequenze 

Quindi ogni finestra può essere de- 
scritta mediante i vari contributi energe- 
tici in ciascuna banda critica. Per fare un 
esempio, nell'intervallo fra 300 e 3400 
hertz (intervallo di frequenze utilizzato 
normalmente nelle comunicazioni tele- 
foniche) sono individuabili 1 3 bande cri- 
tiche (la prima fra 300 e 430, l'ultima tra 
2968 e 3400 hertz). Calcolando quindi 
lo spettro di energia possiamo ricavare il 
contributo energetico di ciascuna delle 
13 bande e avere una descrizione spet- 
trale della finestra in questione sotto 
forma dì una lista di 13 numeri. In que- 
sto modo abbiamo ottenuto la configu- 
razione di una sìngola finestra. Man 
mano che il segnale si evolve nel tempo, 
otteniamo così una successione di liste 
(o vettori) di numeri, una ogni 1 milli- 
secondi . Ch i a m e re mo questa su ece ssi o - 
ne «rappresentazione parametrica» del 
segnale vocale. 

Se vogliamo eostruire un sistema che 
operi in tempo reale, tutte le operazioni 
di calcolo dello spettro, del successivo 
calcolo delle energie nelle bande critiche 
e di memorizzazione dei risultati devono 
essere svolte in un tempo inferiore a 1 
millisecondi. Un calcolatore tradiziona- 
le non specializzato non è in grado di 
effettuare queste operazioni in un tem- 
po così limitato. Quindi, iti genere, nelle 
simulazioni di laboratorio vengono usati 
particolari calcolatori, chiamati array- 
•proceSSùr, che, collegati a un elaborato- 
re tradizionale, svolgono per questo il 
grande numero di calcoli che servono, 
ad esempio, a calcolare Io spettro di una 
finestra di segnale. 

^M'ei laboratori dello cselt (Centro 
* ^ studi e laboratori telecomunicazio- 
ni) di Torino, il gruppo che si occupa di 



riconoscimento della voce (costituito da 
Franco Àrcella, Maura Colombo, Mar- 
co Graverò» Luciano Fi&sore. Giorgio 
Micea, Mario Qreglia, Giancarlo Pirani, 
Federica Raineri e dall'autore) ha rea- 
lizzato diversi sistemi sperimentali, uti- 
lizzando un calcolatore Digital VAX 1 1/ 
780, Il primo sistema di cui darò una 
sommaria descrizione è un riconoscìtore 
dì parole pronunciate isolatamente, vale 
a dire interponendo pause dì silenzio fra 
di loro. Questo è un modo molto innatu- 
rale di parlare; infatti normalmente non 
esistono pause fra le parole di una frase 



pronunciata correttamente. Anzi, il fe- 
nomeno della coarticolazione è presente 
anche fra le porzioni iniziali e finali di 
parole consecutive. Però, per compiti 
molto semplici come il comando dì mac- 
chine, lo smistamento di pacchi postali o 
elementari richieste di informazioni, 
quando cioè una o due parole sono suffi- 
cienti, il riconoscimento per parole iso- 
late può essere utilizzato efficacemente. 
I sistemi ài riconoscimento per parole 
isolate (jwr, dall'inglese Isolated Word 
Reioguizer) sono inoltre molto più sem- 
plici dal punto dì vista realizzativo ri- 



+ 5 












P 

_i 
O 
> 












LU 


r \ / \ */ 






^ 


2 

o 

Z 

HI 

1- 










2 

TEMPO 
(MILLISECONDI) 






* — PERIODO DI CAMPIONAMENTO 








-5 













7 
6 

O 



su - 

2 3 
co 

uj 2 

I- 

1 




TEMPO 
(MILLISECONDI) 



4 


5 


4 


2 


5 | 5 | 3 


4 


3 


3 


1 


4 



100 | 1Q1 1 1QQ | Q10 [ 101 | 101 I 011 | 100 | 011 | 01 1 | QQ1 | 100 ] 



Comesi può introdurre la voce in un calcolatore'. 1 Il Mainile elettrico in uscita da un microfono 
(a) viene campionato a intervalli regolari. Immaginiamo per esempio che il nostro segnale 
possa assumere valori di tensione compresi fra -5e i-5 voli, Suddividiamo quest'intervallo 
in un numero \ di intervalli più piccoli* numerati da 1 a V. In questo modo abbiamo vosi rullo 
un quantizzatone elle a ogni campione associa un numero intero {compreso fra I e V) corri* 
spomicine all'interinilo di tensione al quale il campione appartiene ih \. IL campione può quindi 
essere rapprese malo da questo numero, Quanto più ulto è .V maggiore è la precisione con cui 
viene rappresentato ciascun campione. Tipicamente vengono utilizzati 4096 intervalli; quindi 
ciascun campione può essere espresso da un numero binario di 12 cifre {2 Ì2 = 4096). 
Un*ap parecchia tura che svolge tutte le operazioni che vanno dal campionamento alla rappre- 
sentazione numerica in codice binario di ciascun campione viene chiamata convertitore À/D 
(analogico digitale). Mediante un convertitore X D è quindi possibile inviare alla memoria di 
un calcolatore una rappresentazione numerica del segnale vocale acquisito mediante un mi- 
crofono; il teorema del campionamento formulalo da 11. N> quìsl ci assicura che durante quesla 
operazione (a parte le piccole inesattezze introdotte dalla quantizsazione > non si ha perdita di 
informazione, e pertanto possi amo trattare il segnale numerico come se fosse U segnale reale* 



26 



27 



spetto a quelli che riconoscono il parlato 
continuo. Infatti, essendo le parole se- 
parate da pause, i! loro inizio e la loro 
fine sono pi Ci facilmente individuabili e 
per di più non e presente la coarticola- 
zione fra le parole stesse. 

Proprio la determinazione dell'inizio 
e della fine di ciascuna parola (end- 
-pomt-iUnvvtUm) è ti blocco Iniziale 1 dei 
sistemi iwr. Questa operazione è molto 
delicata: dalla sua precisione dipendono 
le prestazioni del sistema, Generalmen- 
te la determinazione dell'inizio e della 
fine si basa su misure di ampiezza p di 
energia del segnale in successivi segmen- 
ti temporali. Se il sistema opera in am- 
bienti silenziosi questa operazione non 
presenta grossi problemi. I problemi 
nascono quando il rumore ambientale è 
abbastanza elevato, tale da non permet- 
tere alle misure di ampiezza di distin- 
guere tra i suoni vocali a bassa intensità 
(come le fricative fsì e /f/) e le pause 
prodotte dal parlante. Inoltre fi parlan- 
te stesso può provocare rumori indesi- 
derati all'inizio e alla fine della pronun- 



cia delle parole, causati ad esempio dalla 
apertura e chiusura delle labbra, dal re- 
spiro, dai movimenti meccanici del mi- 
crofono oda eventuali colpi di tosse. In 
tal caso è necessario utilizzare misure 
che rendano distinguibile la voce dagli 
altri rumori. 

Estratta la porzione di segnale corri- 
spondente alla parola pronunciata, tale 
porzione viene elaborata al fine di 
estrarre la rappresentazione para metri- 
ca, cioè la sequenza di configurazioni; su 
questa opera il successivo processo di 
riconoscimento. 

Neppure l'uomo è in grado di ricono- 
scere e classificare un oggetto se in pas- 
sato non lo ha mai percepito» o almeno 
non ha mai acquisito una sua descrizione 
formale, e questo vaie anche per ì siste- 
mi di riconoscimento della voce. Per 
poter riconoscere delle parole, il sistema 
deve possedere in memorili una loro 
descrizione. Questa descrizione è forni- 
Li alla nostra macchina sotto forma di 
prototipi di parole pronunciate dal po- 
tenziale utente. 



FINESTRA FINESTRA FINESTRA FINESTRA 

/ - 2 i-1 i t> 1 ».*•••• 

r\/W U/yj \/vi 



10 20 



30 40 



TEMPO 
(MILLISECONDI) 



m 



SPETTRO D'ENERGIA DELLA FINESTRA/ 




1,4 


\5 


1.B 


1.7 


1,9 


1.8 


1,5 


1.6 


1,3 


1,1 


1,8 


2 t 


2.2 


1,9 


2,5 


\i? 


1,2 


1.4 


1,0 


0,9 


0,3 


0,2 


0.01 


0,1 


0,02 


0,01 



4000 



FREQUENZA (HERTZ) 



V 



CONFIGURAZIONE DELLA FINESTRA J 
CONFIGURAZIONE DELLA FINESTRA /-1 



Nel processo di estrazione delle configurazioni, il segnale vocale (a) viene suddiviso in finestre, 
init-rvulli consecutivi della durata di 10 millisecondi. Di ciascuna finestra si calcola Ut spettro 
di energìa (/?)* Poi Passe delle frequenze viene suddiviso in un determinato numeri» di bande 
(bande critiche dell'orecchio). L'area dello spettro di energia in ciascuna banda è propur/iunale 
al contributo energetico di quell'intervallo ed è un elemento della configura/ione k)< La 
sequenza delle configurazioni dà la rappresentazione para metrica della parola o delta frase. 



È quindi necessario aver fissato in 
precedenza un vocabolario, cioè l'in- 
sieme delle parole che la macchina do- 
vrà riconoscere. Fatto questo, il poten- 
ziale utente dovrà pronunciare, almeno 
una volta, tutte le parole del vocabolario 
(fase di addestramento). Le loro rappre- 
sentazioni paramediche verranno quin- 
di memorizzate ed etichettate (per 
esempio con un codice che ricorda la 
forma grafica della parola), e andranno 
a costituire l'insieme dei prototipi. 

Ammettiamo che adesso venga pro- 
nunciata una parola del vocabolario. Il 
riconoscimento dì tale parola avviene 
effettuando un confronto fra La sua rap- 
pr esentatone paramedica e tutti i pro- 
totipi memorizzati durante l'addesi la- 
mento. Come fare questo confronto? 
Innanzi tutto occorre definire una me- 
trica, cioè una misura che stabilisca la 
similarità, o equivalentemente la dissi- 
milarità. fra due configurazioni. 

Una configurazione corrispondente a 
una finestra ( 10 millisecondi) di segnale 
è una lista di N numeri, ciascuno dei 
quali ha un ben preciso significato fisi- 
co. Esso può quindi essere immaginato 
come un punto sn uno spazio a N di- 
mensioni (spazio delle caratteristiche); 
le coordinate di tale punto sono proprio 
gli N numeri che compongono La confi- 
gurazione. Sotto questo punto dì vista è 
intuitivamente ragionevole definire una 
misura di dissimilarità fra due configu- 
razioni come La misura della distanza 
geometrica che intercorre fra i punti 
corrispondenti nello spazio delle carat- 
teristiche. Sempre intuitivamente po- 
tremmo quindi definire la «distanza» 
fra un prototipo e la rappresentazione 
paramelrica della parola da riconoscere 
come la somma delle distanze fra le due 
configurazioni. 

È chiaro che, per effettuare questa 
operazione* è necessario allineare le due 
rappresentazioni: mettere cioè in corri- 
spondenza ciascuna configurazione del 
prototipo con ciascuna configurazione 
della parola incognita; verranno quindi 
calcolate le distanze fra le configurazioni 
corrispondenti, ne verrà fatta la somma 
e il numero ottenuto potrà essere consi- 
deralo come una misura di dissimilarità 
fra Le due rappresentazioni. Purtroppo 
l'operazione dì allineamento non è cosi 
semplice come potrebbe sembrare. 

Immaginiamo di voler allineare le rap- 
presentazioni relative a pronunce 
diverse della stessa parola, Molto pro- 
babilmente potremmo osservare che la 
lunghezza dì tali rappresentazioni (cioè 
ti numero di configurazioni) è diversa. 
Inoltre saremmo portati a dubitare sulla 
conservazione delle durate relative dei 
vari suoni all'interno delle due pronun- 
ce. Cioè, in pratica, la stessa parola può 
essere pronunciata con durate diverse 
dei vari suoni che la compongono. 

L'allineamento quindi deve tener 
conto di questi fenomeni, deve cioè es- 
sere in grado di comprimere o espandere 



RICONOSCIMENTO 



DISTANZE 
DAI PROTOTIPI 



#^- 



VOCE 



DETERMINAZIONE 

DI INIZIO 

E FINE PAROLA 



CALCOLO 

DELLA 

CONFIGURAZIONE 




I 



ADDESTRAMENTO 



ALLINEAMENTO 

TEMPORALE 

DINAMICO 



DO) 



D{2) 



Ù(N) 



DECISIONE 



PAROLA 
RICONOSCIUTA 



PROTOTIPI 01 PAROLE 





| PAROLA N 


















PAROLA 2 








PAROLA 1 































VOCABOLARIO 



PAROLA 1 1 
PAROLA 2 : ■ 



PAROLA N : 



I sistemi di riconosci mento del parlalo più semplici, come quello 
raffiguralo qui, sono in grado dt riconoscere parole pronunciale ìmh 
la lanu.» Me, Il segnate vacale viene elaboralo in modo da determinare 
l'inizio e la fine della panda pronunciala. Il segmento di segnale 
eiirnspondcnle viene poi trasformalo nella sua rappresentazione pa- 
ni me trita mediante il calcolo delle configura/imo, Duranle la fase di 
addeslramcnlo, ciascuna parola del vocabolario {precedentemente 



rissala J viene pronunciala dal potenziale utente e la sua rappresenta- 
zione paramelrica viene memorizzata come prototipo. In fase di rico* 
noscìmentn Li rappresentazione para metrica della parola incognita 
viene allineala uni ciascun prototipo e viene calcolala la disianza. Sulla 
base delle disianze ottenute, il blocco decisionale emette l'ipotesi sulla 
parola riconosciuta. Normalmente la decisione viene presa in favori: 
della parola il cut prototipo ha dato luogo alla distanza minore. 



temporalmente le due rappresentazioni 
in modo da mettere in eor rispondenza 
elementi acusticamente simili (a patto 
che le due rappresentazioni corrispon- 
dano alla stessa parola), 11 problema può 
essere impostato in questi termini: fra 
tutti i modi possibili in cui possiamo alli- 
neare le nostre due rappresentazioni 
(mettere cioè in corrispondenza le fine- 
stre di una con quelle dell'altra) sce- 
gliamo quello che meglio fa corrispon- 
dere configurazioni simili (cioè relative 
a eventi simili del segnale vocale). Come 
valutare la bontà deirallineamento? Ci 
viene in aiuto la misura di dissimilarità 
definita precedentemente. L'allinea- 
mento migliore è quello che dà luogo 
alla minore dissimilarità (somma delle 
disianze fra le configurazioni corrispon- 
denti) fra le due rappresentazioni. 
Quindi, almeno in linea teorica, per ogni 
confronto fra la configurazione da rico- 
noscere e un qualsiasi prototipo do- 
vremmo elencare tutti i possibili alli- 
neamenti e scegliere quello che dà luogo 
alla minore distanza cumulativa. In pra- 
tica questa costosa operazione viene ri- 
solta in modo più economico con l'aiuto 
di una tecnica detta «allineamento tem- 
porale dinamico» introdotta da H. Sa- 
koe e S< t'hiba. 

Questa tecnica opera su un reticolo di 
rappresentazione che comprende un 
numero finito di punti nodali, Ciascun 
punto mette in corrispondenza una con- 



figurazione della parola incognita con 
una configurazione di un dato prototipo. 
Un qualunque percorso congiungente i 
nodi estremi del reticolo costituisce un 
possibile allineamento delle due rappre- 
sentazioni. Ciascun percorso ha associa- 
to un costo pari alla somma delle distan- 
ze fra le configurazioni messe in corri- 
spondenza fino a quel punto. Uallinea- 
mento migliore è quindi quello corri- 
spondente al percorso a costo minimo. Il 
percorso a costo minimo può essere in- 
dividuato evitando di calcolare il costo 
di tutti i possibili percorsi, ma conside- 
rando per ciascun nodo del reticolo so- 
lamente il percorso parzialmente mi- 
gliore (cioè con il minore costo) termi- 
nante in tale nodo, Tutti gli altri percorsi 
confluenti nel nodo in questione, cioè 
quelli con costo maggiore, vengono eli- 
minati. Questa procedura ci assicura 
che t dopo aver esaminato tutti i nodi, 
Tunico percorso che rimane all'estremo 
del reticolo corrisponde al migliore in 
senso assoluto. Il costo associato a que- 
sto percorso (normalizzato eventual- 
mente in funzione della lunghezza del 
percorso stesso) è ciò che viene definito 
come la distanza fra le due rappresenta- 
zioni allineate. È intuitivamente e teori- 
camente ragionevole pensare che la di- 
stanza fra le due rappresentazioni para- 
metriche della stessa parola sia, con alta 
probabilità, inferiore alla distanza che si 
ottiene confrontando le rappresentazio- 



ni di parole diverse, Su questa conside- 
razione è basata la decisione finale del 
sistema iwr. Infatti, una volta calcolata 
la distanza fra la rappresentazione della 
parola pronunciata e ciascun prototipo, 
il sistema decide in favore della parola 
associata al prototipo cui compete la 
distanza minore. 

Qua! è il costo computazionale di 
questa tecnica? Per allineare la 
rappresentazione parametrica della pa- 
rola da riconoscere con quella di un pro- 
totipo, l'elaboratore deve calcolare un 
numero di distanze fra configurazioni 
pari al numero di punti nodali del retico- 
lo. In media una parola ha una durata 
di circa 50 finestre (500 millisecondi). 
Quindi il reticolo e composto da circa 
2500 nodi* e 2500 sono le distanze che 
devono essere calcolate. Se assumiamo 
che una configurazione sia composta da 
1 3 numeri, il calcolo di una distanza fra 
due configurazioni richiede 26 opera- 
zioni aritmetiche ( 13 somme e 1 3 molti- 
plicazioni). Quindi, ogni confronto ri- 
chiede circa 650 000 operazioni aritme- 
tiche. Se il vocabolario è composto da 1 
parole (per esempio le 10 cifre) e vo- 
gliamo che il sistema riconosca le parole 
in tempo reale, ammettendo un ritardo 
di riconoscimento dell'ordine dei 400 
millisecondi, per ciascuna parola pro- 
nunciata è necessario che l'elaborato- 
re sia in grado di effettuare circa 



28 



29 



16 250 000 operazioni aritmetiche al 
secondo! È evidente che questo è un 
numero eccessivamente grande anche 
per un moderno calcolatore. Occorre 
ridurre di qualche ordine di grandezza il 
numero dì operazioni al fine di poter 
realizzare un sistema funzionante in 
tempo reale. A tale scopo viene intro- 
dotta una tecnica empirica che limita lo 
spazio di ricerca del percorso ottimo a 
una striscia collocata intorno alla diago- 
nale del reticolo dì allineamento tempo- 
rale. È infatti molto verosimile che la 
distorsione temporale osservabile in 
pronunce diverse della stessa parola non 
sia elevata; è quindi probabile che il per- 
corso ottimo di allineamento non risulti 
eccessivamente deviato dalla diagonale 
del reticolo. In questo modo, riducendo 
il reticolo di ricerca a una fascia la cui 
larghezza tipica è di 6-8 punti, il calcolo 
dì 300-400 distanze è sufficiente per al- 
lineare due rappresentazioni. 



Esistono inoltre tecniche che permet- 
tono di ridurre il numero di finestre di 
una rappresentazione. Queste tecniche 
si basano sul fatto che, in zone di stazio- 
narietà spettrale del segnale vocale, le 
configurazioni sono molto simili fra di 
loro. Non si ha quindi perdita di infor- 
mazione spettrale se si rappresentano le 
porzioni stazionarie con una sola confi- 
gurazione (questa tecnica viene chiama- 
ta «codifica a finestra variabile?*: infatti 
in questo modo la durata temporale di 
ciascuna finestra non è più costante). Un 
modo molto semplice di effettuare que- 
sta riduzione della ridondanza delle 
rappresentazioni pararne tri eh e consiste 
nel confrontare (sempre mediante una 
misura di similarità) ciascuna configura- 
zione estratta dal segnale vocale in in- 
gresso con le successive in ordine tem- 
porale, e nel tenere una sola configura- 
zione in quelle sequenze con alta simila- 
rità, scartando le rimanenti. 



RAPPRESENTAZIONE PARAMETRICA DELLA PAROLA DA RICONOSCERE 





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Diverse pronunce della slessa parola possono differire notevolmente in durata; inoltre possono 
essere diverse anche le durate relative dei vari suoni. Quindi, per effettuare un utnfnmt» fra 
due rappre^nia/iiini paramelriche (in questo casti Tra due repliche della panila «alio») è 
necessario allinearle temporalmente. Un qualunque percorso congiungente i punti A e B in 
figura è un possibile allineamento temporale. Il percorso ottimo è quello per cui è minima la 
somma delle distanze fra le configurazioni messe in cu rispondenza. Questo percorso può 
essere individuato mediante mi algoritmo, dello programmazione dinamica* che esamina tulli 
i punti del piano procedendo da A versoli. Per ogni punto viene quindi consideralo solo il 
miglior percorso parziale che inizia in A e termina net nuovo punto stesso. Per esempio, nel 
punto C confluiscono tre percorsi iA~D-C*A<Ii-L\A-F-C\* Viene scelto A- E -C perche lungo 
di esso la somma delle disianze tra le configura/toni è minore rispetto agli altri casi. Lo stesso 
accade per ì percorsi A-I-L* A-H-L* A-G-L* Giunti al punto B, per lo stesso motivo viene 
scelto ìt percorso Ì-O-Iì; la somma delle disianze fra le configurazioni messe in corrispondenza 
é'àA-O-B fornisce la distanza Ira le due parole. Poiché il numero di operazioni necessarie a 
effettuare l'allineamento temporale è mollo elevato, in genere si considerano solamente i 
percorsi all'interno di una fascia (in grigiti) sovrapposta alla diagonale del reticolo. 



Molte altre tecniche più raffinate che 
agiscono sia sull'allineamento sia sulla 
dimensione della rappresentazione sono 
siate sperime ntate con successo al fine di 
ridurre la complessità (numero di ope- 
razioni al secondo e quantità di memoria 
necessaria) dei sistemi di riconoscimen- 
to, permettendo la realizzazione di simu- 
lazioni su elaboratori generici e di proto- 
tipi sperimentali (alcuni di essi già in 
commercio) funzionanti in tempo reale. 

Un sistema in grado dì riconoscere il 
parlato continuo, cioè senza pause 
fra le parole, deve risolvere problemi 
ulteriori rispetto a un iwr. Non solo non 
conosce l'esatta identità delle parole 
contenute in una frase, ma neppure il 
loro numero, né ristante di inizio e di 
fine di ciascuna di esse. Se fossimo in 
grado di riconoscere il punto di separa- 
zione, nel segnale vocale, fra una parola 
e la successiva, potremmo applicare la 
tecnica delle parole isolate sulle varie 
porzioni di segnale corrispondenti alle 
singole parole. In realtà non esiste alcu- 
na tecnica che permetta di effettuare 
questa operazione in modo affidabile, 
anche perché la separazione fra le parole 
non è facilmente definibile a causa del 
fenomeno della coarticolazione. 

In quale modo riusciamo a compren- 
dere le parole contenute in una frase 
pronunciata in maniera naturale? Il pro- 
cesso è ancora in parte sconosciuto, ma 
si può dire che non solo l'evidenza acu- 
stica dei singoli suoni contribuisce alla 
comprensione di una frase. Infatti espe- 
rimenti di tipo percettivo hanno dimo- 
strato che anche in condizioni ottime 
(assenza di rumore ambientale e distor- 
sione del segnale) non è generalmente 
possibile determinare con alta affidabili- 
tà Pidentità fonetica dei sìngoli suoni 
usando la sola conoscenza acustica. Al- 
cuni esperimenti effettuati airinizio de- 
gli anni settanta soprattutto presso il 
Massachusetts Institute of Technology 
hanno provato che l'affidabilità della 
determinazione può essere notevolmen- 
te incrementata usando la ridondanza 
fornita dalla conoscenza del vocabola- 
rio, della sintassi e della semantica. Un 
sistema evoluto di riconoscimento au- 
tomatico della voce non deve trascurare 
questi aspetti. 

Verso la metà degli anni settanta le 
più importanti istituzioni americane ope- 
ranti nel settore dei calcolatori elettronici 
(IBM, Carnegie Mellon University, Stan- 
ford Research Institute, Bolt Beranek 
and Newman ecc<) si sono impegnate in 
un ampio progetto, il progetto arpa-sur 
(Advanced Research Project Àgency - 
Speech Understanding Research), uno 
dei cui obiettivi era costruire un sistema 
in grado di comprendere il linguaggio 
parlato. Sono nati da questo progetto 
diversi sistemi che hanno sperimentalo 
per primi le tecniche sulle quali si basano 
praticamente tutti i sistemi attuali. Il pro- 
getto arpa era molto ambizioso e, anche 
se non ha raggiunto completamente il suo 



PRENOTARE 




INIZIO -> VORREI 




Una urani malica regolare (ovvero una grammatica di llpo 3), espressa 
curi un automa a stati finiti, può rappresentare Torma! mente un solto- 
i ti sic me, limitato ma pur sempre significa Ih *i, dei linguaggio. 1 nodi 



del grafo, rappresentanti le parole del vocabolario, siimi collegati 
attraverso archi orientali. Qualsiasi percorso dal nodo iniziale al nodo 
finale genera una frase dei linguaggio spenti calo dalla grammatica. 



obiettivo* ha posto solide basi teoriche al 
riconoscimento automatico del parlato e 
ha fornito inoltre importanti risultati, in 
campi come l'intelligenza artificiale e la 
scienza dei calcolatori, utilizzabili anche 
al di fuori dell'ASI*. Dopo il progetto 
arpa si è ad esempio capito che, se è 
importante avere modelli delle cono* 
scenze ad alto livello (lessicale, sintattica 
e semantica), ancor più importante è che 
queste conoscenze siano sostenute da un 
buon livello acustico. Il sistema harpy 
(Carnegie Mellon University, 1976), per 
esempio, aveva ottime prestazioni, pur 
con un livello acustico non molto sofisti- 
cato, perche forti vincoli di natura sintat- 
tica e semantica erano imposti alla strut- 
tura delle frasi ri conosci bili, sotto forma 
di grammatica. 

"M"ella terminologia della scienza del- 
-^ l'informazione una grammatica è 
un insieme di regole che specifica il for- 
malismo di un determinato linguaggio 
espresso mediante un certo alfabeto. 

Per esempio, nel linguaggio delle 
espressioni algebriche l'alfabeto è costi- 
tuito dalle dieci cifre da a 9, dagli ope- 
ratori + - x /, dal punto decimale e dai 
tre tipi di parentesi aperte e chiuse 
{[()[}> Una qualsiasi successione di tali 
simboli costituisce una frase, ma non tut- 
te le frasi appartengono al linguaggio 
delle espressioni algebriche (ad esempio 
,9(}}88+-] non vi appartiene mentre 
vi appartiene [9+2 x (8.3/5)] -3). Un 
modo banale di specificare un linguag- 



gio potrebbe essere quello di elencare 
tutte le frasi possibili, ma molto spesso le 
frasi sono in numero enorme, se non 
infinito come nel nostro esempio. Si ri- 
corre quindi a regole che specificano la 
costruzione delle frasi. 

Esistono tecniche per specificare re- 
gole di questo tipo in termini formali. 
Una di queste è costituita dagli automi 
a stati finiti. 

Secondo la forma delle regole che la 
specificano, una grammatica può appar- 
tenere a uno dì quattro tipi fondamenta- 
li: il tipo corrisponde alle più libere 
mentre il tipo 3 alle più vincolate. Gli 
automi a stati finiti possono esprime- 
re solamente grammatiche di tipo 3 
(grammatiche regolari) la cui capacità di 
rappresentazione è la più bassa (ad 
esempio con una grammatica regolare 
non è possibile rappresentare il linguag- 
gio delle espressioni algebriche). 

Utilizzando una grammatica regolare è 
possibile rappresentare un numero eleva- 
to di frasi della lingua parlata e quindi 
specificare un linguaggio nel quale l'alfa- 
beto è costituito dalle parole della lingua. 
Un automa a stati finiti può essere rap- 
presenta co mediante un grafo i cui punti 
nodali sono collegati mediante archi 
orientati; se immaginiamo che ciascun 
nodo rappresenti una parola del linguag- 
gio e che esista un nodo di partenza e uno 
ài arrivo, un qualsiasi percorso congiun- 
gente questi ultimi genera una frase sin- 
tatticamente congruente con la gramma- 
tica specificata dall'automa stesso. 



L'introduzione dì una grammatica in 
un sistema di riconoscimento pone un 
forte vincolo sulle possibili sequenze di 
parole da riconoscere, evitando quindi 
di commettere errori che siano incon- 
gruenti con la grammatica, ma limila 
Tinsieme di possibili frasi, e quindi co- 
stringe l'utente a esprimersi con il for- 
malismo definito (cioè l'utente deve 
sapere quali sono le sequenze di parole 
permesse dal linguaggio), 

È possibile costruire un sistema di ri- 
conoscimento del parlato continuo utiliz- 
zando la stessa tecnica vista nel caso delle 
parole isolate, cioè l'allineamento tem- 
porale dinamico, guidato da una cono- 
scenza di tipo sintattico espressa median- 
te una grammatica regolare. Ammettia- 
mo di avere i prototipi di ciascuna parola 
del vocabolario e in più un prototipo del 
rumore ambientale acquisito durante una 
pausa di silenzio del parlante. Poiché è 
possibile che durante ti colloquio alcu- 
ne parole siano effettivamente separate 
da silenzio, è opportuno correggere la 
grammatica in modo da comprendere 
nodi di silenzio all'inizio e alla fine della 
frase e fra le parole; tali nodi possono 
essere ripetuti indefinitamente (ciò signi- 
fica non dare nessun vincolo sulla durata 
del silenzio) o essere saltati. Scendendo a 
un livello più basso, quello acustico, an- 
che Ì prototipi possono essere rappresen- 
tati mediante automi astati finiti. Ciascun 
nodo corrisponde a una finestra di segna- 
le, nel sistema realizzalo presso lo CSELT 
ciascuna finestra può essere ripetuta una 



30 



31 




MNIZIOJ— > 



Nella ^ramuiiitÌLu che rappresentu formalmente un linguaggio si possono introdurre i silenzi: 
ciascun nodo di silenzio può essere ripetuto indefinitamente oppure saltalo. À ciascun nodo 
di silenzio è associato un prototipo, il quale in genere è costituito da un'unica finestra di silenzio 
Ottenuta durante l'addestramento per tener conto del particolare rumore ambientale. 



volta o saltata, per ammettere una sorta 
di allineamento temporale dì ingresso, 

Sostituendo a ciascun nodo della 
grammatica di livello più alto (quella che 
specifica la struttura sintattica delle f ra- 
si) la corrispondente grammatica di li- 
vello più basso (quella che specifica la 
struttura spettrale delle parole) sì ottie- 
ne un automa a stati finiti (rete integra- 
ta) in cui a ciascun nodo è assegnata una 
configurazione di segnale vocale, 

A questo punto il problema può essere 
riportato nei termini visti per le parole 
isolate. Ci troviamo di fronte a una se- 



quenza di configurazioni, cioè la frase da 
riconoscere, e dobbiamo trovare quella 
sequenza nella rete integrata che le è più 
simile. Utilizzando di nuovo la tecnica di 
programmazione dinamica siamo in gra- 
do di ricavare la sequenza ottima nella 
rete, quella che da luogo al valore mini- 
mo dì distanza cumulata lungo la sequen- 
za stessa. Determinata la sequenza otti- 
ma, tale sequenza può essere percorsa a 
ritroso (fase di trace-back) in modo da 
determinare i nodi della grammatica ad 
alto livello attraversati, e quindi decodifi- 
care le parole contenute nella frase. 



1 




2 




3 




4 





La sequenza di configurazioni vnrrispun dente a una parola (a ) può essere trasformata in un 
automa a stati finiti (hi- Per tener conto dei possìbili allungamenti o accordamenti temporali 
in fase di riconoscimenti!* ciascuna finestra può essere ripetuta una volta oppure saltata. Sì 
può dimostrare che questa procedura è equivalente airinserìniento di vincoli sui percorsi 
durante la ricerca del percorso ottimo effettuala con l'allineamento temporale dinamico. 



Una prerogativa essenziale di un si- 
stema di riconoscimento in tempo 
reale è il suo funzionamento in modo 
continuo. Sarebbe cioè opportuno che il 
sistema fosse in grado di riconoscere una 
sequenza continua di parole, senza ne- 
cessariamente attendere la fine della 
frase per la decodifica finale, Questo 
può essere fatto nel sistema cshlt. 

Occorre premettere che l'algoritmo di 
programmazione dinamica procede in 
sincronismo con le finestre della frase da 
riconoscere. Per ciascuna finestra di in- 
gresso vengono estese di un passo tutte 
le sequenze calcolate alla finestra prece- 
dente; se i! punteggio (o distanza cumu- 
lata) di una sequenza è superiore a un 
determinato valore di soglia, è molto 
probabile che tale percorso non appar- 
tenga alla sequenza ottima e quindi vale 
la pena di bloccarlo. In questo modo il 
numero dì sequenze da calcolare a ogni 
nuova finestra rimane praticamente en- 
tro limiti accettabili, Può accadere che 
tutti i percorsi attivi a un certo istante 
abbiano nel passato un'origine comune, 
siano cioè ramificazioni di un percorso 
che, a causa del disattivamento di altri 
percorsi, è rimasto unico, Quindi* sul 
tratto in cui tale percorso è unico, le 
decisioni sulle parole possono essere già 
prese. Con questa tecnica (detta partiai 
trace-back, percorso a ritroso parziale) 
non solo si può riconoscere una sequen- 
za ininterrotta di parole con un breve 
ritardo fra l'effettiva pronuncia e il rico- 
noscimento, ma si è in grado di mante- 
nere tollerabili le dimensioni della 
memoria, Infatti, per permettere il per- 
corso a ritroso, per ogni percorso attivo 
è necessario memorizzare, oltre ad altre 
informazioni, la sequenza di nodi da cui 
è passato: una volta effettuato il percor- 
so a ritroso e decodificato in parole il 
segmento di frase, tutte le informazioni 
relative al percorso in questione posso- 
no essere cancellate dalla memoria, 

Già per un vocabolario di modeste 
dimensioni (50-1 00 parole) il numero di 
operazioni da effettuare nell'unità di 
tempo è veramente alto. Il progetto 
hardware di una macchina di questo tipo 
deve senz'altro fare riferimento ad ar- 
chitetture multielaboratore altamente 
paralizzate (cioè macchine utilizzanti 
più calcolatori elementari che svolgono 
compiti in parallelo). Esistono oggi in 
commercio alcune macchine progettate 
per riconoscere il parlato continuo con 
vocabolari di poche centinaia di parole 
che sfruttano tecniche del tipo appena 
descritto, ma i problemi del riconosci- 
mento del parlato continuo non sono 
completamente risolti: le prestazioni di 
questi sistemi sono ancora troppo basse, 
dipendono fortemente dall'ambiente in 
cui si opera, dalla lingua usata, dall'ac- 
curatezza di pronuncia dell'utente; il 
loro vocabolario è ancora estremamente 
piccolo per alcune utilizzazioni di inte- 
resse, i vincoli sintattici imposti dalla 
grammatica possono essere troppo pe- 
santi per l'utente. Queste macchine co- 




Nel caso di un sistema di riconoscimento del parlato continuo, il 
riconoscimento avviene mediante la ricerca di quel percorso, nella rete 
integrata, che produce hi minore distau/u cumulala dalla sequenza di 



configurazioni della Irase da riconoscere. Per generare la rete ìntegra» 
ta, a ogni nodi» della rete sintattica viene sostituiti» l'adeguati» automa 
a Slati finiti che rappresenta il prototipo della parola corrispondente. 



stituiscono comunque un notevole passo 
in avanti nella scienza dei calcolatori, 
contribuendo in maniera non trascurabi- 
le allo sviluppo e alla ricerca di nuove 
architetture per i calcolatori della pros- 
sima generazione. 

Vi sono molti altri problemi inerenti 
al riconoscimento di parole isolate 
o connesse che costituiscono importanti 
temi di ricerca in tutti i laboratori che si 
occupano del colloquio vocale uomo- 
-macchina. Uno di questi va sotto il nome 
di «indipendenza dal parlante*. Un si- 
stema di riconoscimento richiede una 
fase di addestramento la cui lunghezza 
dipende dalle dimensioni del vocabola- 
rio, ma per molte applicazioni sarebbe 
importante che il sistema non richiedese 
questa fase. Basti pensare a un servizio 
pu bbl ico : e sso d i verrebbe ìm propon i bi \ e 
se ciascun utente dovesse addestrare la 
macchina su tutto il vocabolario prima di 
formulare la richiesta, Oppure, per un 
sistema con vocabolario di qualche mi- 
gliaio di parole, la fase di addestramento 
potrebbe diventare una operazione ab- 
bastanza onerosa anche se ristretta a un 
determinato numero di utenti, 

Una delle soluzioni proposte fino a 
oggi è quella fornita dall'analisi dei rag- 
gruppamenti (ctuster anaiysis). Riferia- 
moci a un sistema iwr. Immaginiamo di 
collezionare prototipi delle parole del 
vocabolario pronunciate da un'ampia 
popolazione di parlanti. Tutte le repli- 
che di una determinata parola del voca- 
bolario possono essere confrontate tra 
loro mediante la tecnica di allineamento 
dinamico, generando una serie di di- 
stanze mutue fra esse. Possiamo imma- 



ginare che ciascuna replica sia un punto 
in uno spazio multidimensionale; la di- 
slocazione di tutti i punti è univocamen- 
te determinata dall'insieme di distanze 
mutue. Se si ammette» e questa è l'ipote- 
si fondamentale, che esistano evidenti 
raggruppamenti (cluster) di tali punti 
(cioè repliche della parola in questione 
che, pur provenendo da parlanti diversi, 
esibiscono una certa similarità) e se i 
raggruppamenti sono abbastanza com- 
patti, si può pensare di rappresentare 
tutte le repliche appartenenti a ciascun 
raggruppamento mediante un unico 
prototipo rappresentativo (per esempio 
il centro di massa del raggruppamento). 
I) problema fondamentale della deter- 
minazione automatica dei raggruppa- 
menti di un insieme di repliche della 
stessa parola in uno spazio il cui numero 
di dimensioni è dell'ordine dr grandezza 
del numero di repliche stesse viene in 
genere risolto mediante tecniche stati- 
stiche operanti sugli insiemi di distanze. 

H stato dimostrato che su una popola- 
zione di qualche centinaio di parlanti si 
evidenziano in media una ventina di 
raggruppamenti per ciascuna parola. 
Ouindi nel sistema di riconoscimento è 
opportuno memorizzare più prototipi 
per ciascuna parola, cioè uno per ciascun 
raggruppamento. 

Questa tecnica non fornisce in genera- 
le prestazioni elevate. In genere con un 
sistema iwr operante con un vocabola- 
rio di un centinaio di parole è tipicamen- 
te raggiungibile una accuratezza dell'or- 
dine del 99 per cento (99 per cento di 
parole correttamente riconosciute) se 
viene effettuato l'addestra mento: utiliz- 
zando l'analisi dei raggruppamenti le 



prestazioni scendono al di sotto del 
95-96 percento, senza coniare l'enorme 
aumento di memoria necessaria per i 
prototipi. Si pensa oggi, come alternati- 
va per alcune applicazioni, di studiare 
tecniche diverse, che prescindono da un 
addestramento «universale», ma che 
cercano di adattare i prototipi al parlan- 
te attuale, utilizzando ad esempio misu- 
re effettuate su poche frasi preliminari al 
colloquio vero e proprio. 

Le tecniche di riconoscimento che 
abbiamo visto sono realizzabili finché il 
vocabolario si mantiene su dimensioni di 
qualche centinaio di paroìe. Per una 
applicazione con un vocabolario abba- 
stanza grande (2000-3000 parole) co- 
mincerebbero a sorgere grossi problemi 
di memorizzazione e di tempo di calco- 
lo; non solo, ma volendo introdurre 
nuove parole nel vocabolario si rende- 
rebbe necessario addestrare dì nuovo la 
macchina. A questo proposito il gruppo 
di ricerca dello cselt sta studiando tec- 
niche che utilizzano unità elementari di 
riconoscimento dì dimensioni più picco- 
le della parola. J dìfoni, almeno per la 
lingua italiana, sono i candidati più pro- 
mettenti a rivestire questo ruolo. Con un 
insieme di circa 400 difoni è possìbile 
costruire la maggior parte delle parole 
delia lingua italiana. L'idea è quella di 
memorizzare prototipi dei difoni me- 
diante i quali sintetizzare t prototipi del- 
le parole necessarie in ciascuna fase del 
processo di riconoscimento. I problemi 
riguardano essenzialmente l'estrazione 
dei prototipi di difoni. Si può pensare 
inizialmente di estrarrc in modo manua- 
le i prototipi, per esempio osservando su 
un video grafico la forma d'onda di una 



32 



33 



parola e segmentando i difoni che ci in* 
teressano, ma questa procedura è molto 
lunga e richiede personale tecnico con 
esperienza nella segmentazione di even- 
ti acustici. 

Utilizzando modelli più complessi dei 
prototipi, modelli in grado di acquisire 
automaticamente conoscenze di tipo 
statìstico sull'evento in questione, è pos- 
sibile realizzare una procedura comple- 
tamente automatica di addestramento 



per difoni partendo da un insieme di 
parole (non necessariamente apparte- 
nenti al vocabolario) che comprenda più 
casi dei difoni in questione. Questa tec- 
nica, una volta affinata, porterà proba- 
bilmente alla realizzazione di sistemi in 
grado di riconoscere frasi appartenenti a 
vocabolari di dimensioni debordine del 
migliaio di parole, 

L'impostazione seguita ai laboratori 
cselt non è Tunica possibile. Un'altra 



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RAPPRESENTAZIONE PAR AMETRJCA DELLA FRASE DA RICONOSCERE 

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213141516 1718 192021 22 23242526 




Ammettiamo che un sistema di riconoscimento in tempo reale, dotato della caratteristica di 
ìraceback (ricerca a ritroso) parziale, stia elaborando la finestra 18 della frase da riconoscere 
{* w per Gè nova ...»). ì percorsi attivi alla finestra precedente (A, B, C . D} vengono estesi 
secondo le regole definite dalle grammatiche relative ai prototipi e alla sintassi del linguaggio, 
in tre mentendo il loro costo della distanza fra la configurazione del Trame 18 e la configura/ io ne 
del prototipo raggiunto. Non vengono considerati quei percorsi il cui costo supera di un certo 
valore (fissato dal progettista) il costo associato al percorso localmente ottimo. Può accadere 
che tulli i percorsi aitivi provengano da un unico nodo {nodo X nell'esempio), quindi il percorso 
da quel nodo a ritroso verso l'inizio è determinato univocamente. 1 prototipi interessati da 
questo percorso parziale forniscono le parole riconosciute {prototipo della parola «per» nel- 
l'esempio). Le informazioni associale al percorso possono quindi essere cancellate, memoriz- 
zando unicamente il codice delle parole riconosciute. Questo codice, risultato finale del pro- 
cesso di riconoscimento, può poi essere utilizzato dagli altri livelli dì conoscenza del sistema. 



impostazione significativa è quella che si 
può definire del a riconosci mento per 
regole» , associata in particolare al nome 
di V, Zue del Massachusetts Instìtute of 
Technology, e basata sul postulato che il 
segnale vocale contiene tutte le infor- 
mazioni necessarie al riconoscimento e 
alla comprensione di una frase. Se l'uo- 
mo è in grado di decodificare le informa- 
zioni fonetiche contenute in una rappre- 
sentazione spettrale del segnale vocale 
(sonogramma), come Zue ha dimostrato 
alla fin e degli anni settanta, questa abili- 
tà pud essere espressa mediante regole 
codificate in un calcolatore* Si tratta 
quindi di utilizzare le tecniche di intelli- 
genza artificiale conosciute, le quali 
permettono di inserire un bagaglio di 
conoscenza in una macchina e dì sfrut- 
tarlo per formulare e verificare ipotesi 
sugli slimoli fisici, non secondo uno 
schema prefissato (e quindi algorit mi- 
co) t ma utilizzando regole inferenziali 
che ricalcano le regole utilizzate dal- 
l'uomo nel risolvere lo stesso problema. 
Questa strategia è molto ambiziosa e il 
suo perseguimento è molto costoso. Pur- 
troppo i risultati non sono immediati; 
non abbiamo ancora una conoscenza del 
fenomeno acustico tanto profonda da 
garantire la realizzazione di una mac- 
china per il riconoscimento della voce 
con prestazioni paragonabili a quelle 
dell'uomo. L'acquisizione di questa 
conoscenza è molto difficile e costosa 
poiché si basa unicamente sull'osserva- 
zione umana dì un numero enorme di 
realizzazioni di eventi acustici. Per que- 
sto motivo, il metodo statistico è stato in 
grado di fornire risultati parziali in breve 
tempo, che potranno un giorno essere 
superati da quelli raggiungibili con il 
metodo fonetico. Probabilmente, però, 
non esiste fra i due un metodo vincente. 
La statistica è un mezzo per acquisire 
conoscenza da grandi quantità di dati, 
ma è priva di ciò che possiamo chiamare 
buonsenso. Il buonsenso è l'abilità pret- 
tamente umana che permette di non 
compiere errori grossolani. Molto spes- 
so accade che algoritmi di tipo statistico 
commettano errori grossolani nella de- 
terminazione di parametri della voce* 
per esempio» tipicamente, nel decidere 
se un segmento di segnale è vocalizzato 
o non vocalizzato, laddove un osservato- 
re esperto potrebbe decidere senza dub- 
bio, osservando la forma d'onda o lo 
spettro di tale segmento. Le tecniche di 
tipo euristico, come il riconoscimento 
fonetico, tentano di inserire nei sistemi 
questa esperienza umana, ma è molto 
costoso consolidarla mediante un gran 
numero di osservazioni. Penso che il 
futuro del riconoscimento automatico 
della voce (ed è questa la tendenza at- 
tuale della ricerca presso lo cselt) stia 
nell'unione di queste due filosofie, 
unione che fornirà ai metodi statistici il 
buonsenso di cui sono privi e andrà ad 
arricchire, mediante la statistica, il ba- 
gaglio di conoscenze su cui si basano i 
metodi euristici. 



34 



I vulcani e le nubi di Venere 

I gas di zolfo che formano la coltre nuvolosa di Venere sono forse emessi 
da vulcani la cui attività sembra confermata sia dalle mappe radar sia 
dalle analisi chimiche condotte sulla crosta e sull'atmosfera del pianeta 



neer Venus nella Regio Alla, a ovest dì 
Beta vicino aj l'equatore, possono essere 
vulcani singoli. Le sonde sovietiche 
Venera 15 e Venera ló> che si trovano in 
orbita intorno a Venere dall'ottobre 
1983, hanno trasmesso le immagini di 
grandi formazioni circolari precedente- 
mente non osservate che, avendo diame- 
tri di parecchie centinaia di chilometri 
ed essendo relativamente poco elevate, 
delimitano la superficie di TeFra Ishtar e 
dì altre regioni. A. T. Basilevsky, V. L, 



Barsukov e collaboratori presso l'Istitu- 
to- V. L Vernadsky dì geochimica e chi- 
mica analitica di Mosca hanno interpre- 
tato queste strutture come enormi duo- 
mi vulcanici che crollando hanno lascia- 
to pieghe di crosta nel loro intorno. 

1 radar a bordo dei moduli orbitali 
delle sonde Venera forniscono immagini 
con una risoluzione orizzontale compre- 
sa tra uno e due chilometri, mentre la 
risoluzione di Pioneer Venus è nel mi- 
gliore dei casi di 30 chilometri. Purtrop- 



po però le missioni sovietiche sono state 
progettate per raccogliere immagini di 
solo un terzo circa del pianeta e la loro 
copertura non riguarda la maggior pane 
della Regio Beta. Il prossimo importan- 
te passo avanti nella conoscenza delle 
strutture superficiali verrà compiuto 
probabilmente da Venus Radar Mapper 
che la National Aeronautics and Space 
Administration pre%«ede di lanciare nel 
1 988 e che coprirà finterò pianeta con 
una risoluzione di 0/2 chilometri 



di Ronald G. Prinn 



Per un planetologo una delle carat- 
teristiche più interessanti della 
Terra è la sua attività. Il calore 
che fluisce dall'interno del pianeta ali- 
menta processi che ne ri mode 11 ano conti- 
nuamente la superficie. Un segno carat- 
teristico dì questa attività è il vulcanismo, 
ossia l'affioramento in superficie di rocce 
e gas caldi attraverso fessurazioni della 
erosta. Eruzioni vulcaniche sono state 
osservate anche su Io, il satellite di 
Giove, ma non su altri corpi del sistema 
solare. Eppure Venere, il pianeta a noi 
più vicino, assomiglia alla Terra sotto 
molti aspetti: ha circa le stesse dimensioni 
e la stessa massa, e si è formato nella 
stessa regione della nebulosa solare in 
condensazione. I due pianeti dovrebbero 
quindi aver avuto un'evoluzione simile. 
Vi sono vulcani attivi su Venere? 

Per molto tempo le risposte a questa 
domanda non potevano essere che ipo- 
tetiche, perché uno strato di nubi spesso 
e persistente ostacolava i tentativi di 
studiare la superficie venusiana, ma ne- 
gli ultimi cinque anni la situazione è 
cambiata. Anche se bloccano la luce vi- 
sibile, infatti, le nubi sono trasparenti 
alle onde radio e alle microonde, e ciò ha 
permesso dì realizzare un atlante com- 
pleto della superficie mediante un radar 
a bordo di Pioneer Venus, in orbita in- 
torno al pianeta fin dal 1978. Le mappe, 
insieme ad altre immagini radar ad alta 
risoluzione più recenti ottenute da due 
sonde spaziali sovietiche e da radiotele- 
scopi a terra, hanno rivelato l'esistenza 
dì strutture di tipo vulcanico, 

La persistenza stessa delle nubi opa- 
che, inoltre, costituisce un'indicazione 
precisa, anche se indiretta, dell'esistenza 
di un vulcanismo attivo. Le nubi infatti, 
che si trovano a quote comprese tra 50 e 
70 chilometri, sono composte di acido 
solforico concentrato e di un materiale 
che assorbe i raggi ultravioletti, proba- 
bilmente zolfo elementare, Negli ultimi 
anni parecchie sonde hanno resistito al- 
l'attacco corrosivo di queste sostanze e 
all'intenso calore della superfìcie (460 



gradi centigradi) abbastanza a lungo da 
misurare la composizione dell'atmosfe- 
ra e della crosta del pianeta. Di conse- 
guenza oggi è possibile interpretare Tìn- 
terazione di questi due sistemi e com- 
prendere il complesso ciclo di reazioni 
fotochimiche e termochimiche che tra- 
sforma i gas sulfurei nelle particelle delle 
nubi. Dai dati si ricava che i gas sulfurei 
vengono iniettati continuamente nel- 
l'atmosfera grazie a un meccanismo che 
non può essere altro che vulcanico. In 
realtà il rilevamento da parte del modu- 
lo orbitale (orbiterà di Pioneer Venus di 
variazioni impressionanti nell'abbon- 
danza di anidride carbonica nell'atmo- 
sfera oltre la sommità delle nubi fa pen- 
sare che Venere sia stato scosso da mas- 
sicce eruzioni negli ultimi dieci anni. 

T 'indicazione più diretta dell'esistenza 
J— ' su Venere di vulcani, attivi o estinti, 
proviene dagli studi radar. Fin dagli anni 
sessanta sono stati puntati sul pianeta i 
radiotelescopi di À recibo a Portorico e 
di Goldstone in California, i quali hanno 
fornito la prima valutazione attendibile 
del raggio (6052 chilometri, contro i 
6378 della Terra) e del periodo dì rota- 
zione di Venere {243 giorni) oltre alle 
prime immagini di grandi formazioni 
superficiali come il grande continente 
settentrionale di Terra Ishtar. Nel 1977 
R. Stephen Saunders e Michael C. Malin 
del Jet Propulsion Laboratory hanno 
avanzato Tipotesi che Mons Theìa T nella 
Regio Beta, sia un grande vulcano a scu- 
do, una struttura approssimativamente 
simmetrica formata da persistenti colate 
non esplosive di lava calda che percorre 
grandi distanze prima di solidificare. 
Con i suoi 700 chilometri di diametro 
Mons Theia è molto più grande dei vul- 
cani a scudo delle Hawaii, ma più picco- 
lo del Mons Olympus di Marte che sem- 
bra un esempio gigantesco di questo tipo 
di formazione montuosa. 

Da quando, nel dicembre 1978, Pio- 
neer Venus è entrato in orbita intorno al 
pianeta, è diventato possibile produrre 



immagini radar con una risoluzione spa- 
ziale superiore e anche cartografare il 
rilievo superficiale. Nel 1980, sulla base 
di questi dati Harold Masursky dell'US 
Geological Survey, Gordon H, Petten- 
gill del Massachusetts Institute of Tech- 
nology e collaboratori hanno affermato 
che tutta la Regio Beta, compresi i due 
rilievi Mons Theia e Mons Rhea (en- 
trambi alti più di 4500 metri), è un'e- 
norme struttura vulcanica formata dal 
lento accumularsi di lava. In seguito 
George E. McGill e collaboratori del- 
l'Università del Massachusetts ad Am- 
herst hanno suggerito che i vulcani siano 
in realtà strutture laviche più modeste 
sulla sommità di un duomo allungato di 
crosta sollevata, 

Quest'ultima teoria comporta che sot- 
to La Regio Beta abbiano Luogo risalite di 
magma regionali e non locali; l'ipotesi è 
corroborata dall'osservazione, tratta dal- 
le perturbazioni nell'orbita di Pioneer 
Venus, che nella regione la gravità è più 
forte della media venusiana, Può darsi 
che il fenomeno di sollevamento sia 
abbastanza intenso da causare un certo 
movimento orizzontale della crosta, Nel 
1 983 Donald B. Campbell e collabora- 
tori de ir Osservatorio dì Arecibo hanno 
ottenuto un'immagine della Regio Beta 
con una risoluzione circa 1 volte supe- 
riore a quella ottenibile con Pioneer 
Venus. Vi compare una grande frattura 
(rift) rettilinea con a fianco due strutture 
vulcaniche agli estremi, che taglia l'inte- 
ra regione. In ogni modo, si concorda, in 
generale, sul fatto che nella Regio Beta 
vi sia stato qualche tipo di attività vulca- 
nica. La luminosità delle immagini radar 
fa pensare che l'attività possa essere sta* 
ta recente dal punto di vista geologico: è 
indice infatti di superficie scabra, cioè 
relativamente giovane e non alterata 
dagli agenti meteorologici. 

La Regio Beta non è Tunica regione in 
cui siano state osservate strutture vulca- 
niche. Secondo James W, Head della 
Brown University e altri ricercatori le 
vette e le guglie isolate rilevate da Pio- 




La presenza di anidride solforosa sulla sommila delle nulli venusiane 
è evidenziala in queste immagini basate su misurazioni eseguite dallo 
spettro metro per ultravioletto di Pioneer Venus. Le immagini rappre- 
sentano la radiazione aita lunghezza d'onda di 207 n ano-mei ri. forte- 
mente assorbita dall'anidride solforosa e riflessa, invece» daìle nubi. ì 
dati sono stati raccolti in un periodo di cinque giorni nell'agosto 19144 
mentre l'atmosfera del pianeta, che ruota molto più velocemente della 
superficie, eseguiva una rotazione completa al di sotto della sonda. 
La prima e l'ultima immagine (rispettivamente in alto a sinistra e in 



basso u destra} riproducono la stessa regione dell'atmosfera. Da que- 
sti! lipo di misura/, in ni Larry W . L sposi lo dell'Università del Colorado 
a Boulder ha stabilito che l'abbondanza media di anidride solforosa ai 
di sopra delle nubi si è ridotta in misura superiore al 9tt per cento da 
quando la sonda è entrata in orbila attorno a Venere* alla fine del 
1 978. A quell'epoca l'abbondanza di anidride solforosa era più elevata 
del previsto. (Questo suggerisce che prima dell'arrivo del satellite una 
grande eruzione vulcanica abbia immesso nell'atmosfera superiore 
anidride solforosa che da allora starebbe formando arido solforico. 



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37 



Tra le strutture vulcaniche finora sco- 
perte ne esistono di attive? Non è possì- 
bile rispondere a questa domanda sulla 
base delle sole immagini radar, Per dare 
una risposta senza essere in grado di os- 
servare direttamente le eruzioni è neces- 
sario conoscere la composizione della 
crosta e dell'atmosfera venusiane. 



Le prime allettanti informazioni sulla 
chimica della crosta sono giunte nel 1975 
dai moduli di atterraggio (lande r) delle 
sonde Venera 8, 9 e IO che, dotati dì 
rivelatori di raggi gamma, hanno misura- 
to l'abbondanza nella crosta di potassio, 
uranio e torio radioattivi. Anche se ì luo- 
ghi di atterraggio erano molto diversi, 



sembra che gli elementi radioattivi siano 
presenti su Venere in quantità paragona- 
bili ai livelli osservati nelle rocce della 
superficie continentale della Terra, Dal 
momento che il decadimento radioattivo 
è la fonte più importante del calore inter- 
no della Terra. ì dati delie sonde Venera 
portano a ritenere che la quantità di calo- 





Me diante l'ai li metro radar a bardo del mo- 
dulo orbitale éìPianeer Venus sono state rea- 
lizzate mappe della topografia dì Venere, 
Mentre il satellite descrive un'orbita intomo 
a Venere, l'altimetro misura la distanza dalla 
superficie; sottraendola dalla distanza dal 
centro di massa del pianeta, nota da un cal- 
colo preciso dell'orbita, si ottiene il raggio in 
ogni punto. Sulle mappe i rilievi più elevati 
sono in giallo e in rosso, i minori in blu inten- 
so. La maggior parte della superfìcie venusia- 
na è piatta» Mentre il 35 per cento della su- 
perficie terrestre è continentale e il 65 per 
cento è costituito da fondo oceanico, Venere 
possiede solo due strutture di tipo continen* 
tate, che occupano meno del 5 per cento della 
superfìcie. Una di queste, Terra IshÉar, com- 
pare vicino al polo settentrionale sul globo {a 
sinistra)* (La regione polare è vuota perché 
Forbita della sonda non passa sopra i poli,) 
L'area in rosso di tshtar è Maxwell, il rilievo 
montuoso pia elevato di Venere, che sì innal- 
za <li oltre 11 000 me tri rispetto all'elevazio- 
ne media. Maxwell è forse di orìgine vulcani- 
ca, ma probabilmente non è attivo. La zona 
giallo-verde a sud-ovest di tshtar, al margine 
sinistro del globo, è la Regio Beta, dove pro- 
bahì line nle è in torsi» attività vulcanica; nel- 
Pim magi ne prospettica ingrandita Un aito) vi 
è l'esteso altopiano con un gruppo di guglie. 
Le due vette maggiori di Beta, \lons Theia e 
Mons Rhea, sono alte più di 45 00 metri. A 
sud di Beta {a sinistra nell'immagine) si 
estende la Regio I 1 li uè he. che è caratterizzata 
anch'essa da strutture di tipo vulcanico. L'im* 
magi ne ingrandita in alto è stala realizzata 
dallo US Geologi cai Sur ver; l'immagine glo- 
bale è invece del Jet Pro pulsi on Laboratori. 



re che si sviluppa all'interno di Venere sia 
approssimativamente analoga a quella 
prodotta all'interno del nostro pianeta. 

Il calore sviluppato dal decadimento 
radioattivo, però, deve in qualche modo 
uscire dall'interno del pianeta. Il sistema 
più efficiente è costituito da qualche 
forma di vulcanismo, dove l'espressione, 
nel senso più generale, indica qualsiasi 
flusso convettivo dì materiale caldo ver- 
so la superficie. Sulla Terra molto più 
della metà della perdita di calore ha luo- 
go lungo le dorsali medio-oceaniche, 
dove le zolle che costituiscono la litosfe* 
ra divergono e la lava sgorga da Ubaste - 
nosfera fluida formando nuova crosta. 
Una seconda forma di vulcanismo è rap- 
presentata dai vulcani di arco insulare 
associati a fosse oceaniche, i luoghi dove 
due zolle collidono e una è subdotta nel- 
l'aste nosf era. Tuttavia, come hanno 
osservato Raymond E. Arvidson della 
Washington University e altri, le mappe 
radar di Venere non presentano traccia 
di una rete globale di dorsali e fosse. Può 
darsi, come ha ipotizzato Don L. Ander- 
son del California Instiluteof Technolo- 
gy, che la litosfera venusiana sia più sot- 
tile di quella terrestre, oltre che più cal- 
da e meno densa, e che quindi galleggi 
troppo per essere subdotta nell'interno 
fluido del pianeta. 

In mancanza di dati certi a favore di 
una tettonica delle zolle, William M 
Kaula e Lynn M. Muradian dell'Univer- 
sità della California a Los Angeles han- 
no concluso che su Venere la perdita di 
calore può avvenire attraverso due mec- 
canismi: l'eruzione di vulcani isolati di 
«punto caldo* come quelli delle Hawaii, 
che non sono associati a margini di zolla, 
e il trasferimento di calore per condu- 
zione in zone dì crosta sottile e sollevata 
a «forma di duomo». La struttura a 
duomo fratturata e a guglie della Regio 
Beta fa pensare che in questa zona ab- 
biano avuto luogo fenomeni di entrambi 
i tipi. In generale sembra molto impro- 
babile che la conduzione nelle rocce, un 
processo molto lento, sia l'unico sistema 
di raffreddamento. La necessità di un 
meccanismo di raffreddamento adegua- 
to costituisce una valida considerazione 
a favore dell'esistenza su Venere di un 
vulcanismo attivo, ma non è conclusiva. 

TI vulcanismo ha anche un'altra funzio- 
*- ne: lo scarico dei gas dall'interno del 
pianeta. Lo scarico dei vulcani terrestri 
contiene anidride carbonica, azoto, 
vapore acqueo, gas di zolfo e gli isotopi 
argo 40 ed elio 4 dei rispettivi gas nobili» 
che sono prodotti dal decadimento ra- 
dioattivo. Tutti questi gas sono stati rile- 
vati nell'atmosfera venusiana da Pioneer 
Venus e dai moduli di discesa di Venera 
21, 12* 13 e 14. 

In realtà si ritiene che su Venere come 
sulla Terra, la fuoriuscita di gas dall'in- 
terno del pianeta avvenuta nelle prime 
fasi della sua storia sia stata la più impor- 
tante fonte di materiale da cui ha avuto 
origine l'atmosfera. Le due atmosfere. 




L'immagine radar delia Regio Beta (con una risoluzione orizzontale di circa due chilometri) 
fa pensare che Mons Theia e Mons Rhea siano vulcani a scudo situati ai fianchi dì una frattura 
(rift) rettilinea della crosta. Realizzala alla lunghezza d'onda di 12.6 centimetri con il radio- 
telescopio da 300 metri dell' Osservatorio di Areciho, l'immagine mostra le variazioni di 
scabrosità superficiale; le zone più chiare sono relativamente scabre e non alterate dagli agenti 
meteorologici, mentre quelle più scure sono relativamente regolari. Theia è la formazione 
circolare in basso; si attribuisce fa sua luminosità alla presenza di colate laviche geologicamente 
recenti. Si crt.de che le strutture rettilinee :i nord di Rhea siano un rifi vinche perche sono 
parallele a un canyon scoperto in studi topografici. La morfologia suggerisce che la crosta di 
Beta sia stata spinta verso Tallo da un sollevamento regionale che ha prodotto ììriji e i vulcani. 



però, sono molto diverse: quella di Ve- 
nere è per il 96 per cento anidride car- 
bonica mentre quella della Terra è per il 
78 per cento azoto. La differenza deriva 
in parte dalla presenza sul nostro piane- 
ta degli oceani, che hanno estratto dal- 
l'atmosfera quasi tutta l'anidride carbo- 
nica immagazzinandola in forma di car- 
bonati nella crosta. Gli oceani di Vene- 
re, se mai sono esistiti, sarebbero evapo- 



rati completamente da molto tempo, e 
l'idrogeno sfuggito nello spazio. 

Confrontando le due atmosfere è ne- 
cessario quindi inserire nel computo del- 
l'anidride carbonica terrestre i carbonari 
crostali e anche tener conto del fatto che 
l'atmosfera di Venere ha una massa 90 
volte maggiore. La quantità totale di 
anidride carbonica e di azoto presente su 
Venere risulta allora inferiore a quella 



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I li rifìeltiviià della superficie venusiana alle onde radio di 17 centimetri varia considerevol- 
mente con la posizione indicando che anche la composi/ione superficiale varia. La mappa copre 
la zona da 40 gradi di latitudine nord a 20 gradi sud e da 270 a 340 gradi di longitudine est. 
La massima rifleitivìtà è in rosso, la minima in blu. L'area in rosso, in alto a sinistra, è la zona 
ceni mie della Regio Beta; Mons Ih eia presenta una delle più elevate ride Iti vita finora osser- 
vate. Una spiegazione plausibile è che la sua superfìcie sia costituita da rocce vulcaniche con 
notevoli inclusioni di pirite, un ottimo conduttore contenente zolfo» Sfortunatamente nessuno 
dei luoghi di discesa delle sonde Venera {punti in nero) si trova in una regione a elevata 
rifletti vi tè. La mappa è stata realizzata da Peter G. Ford e Gordon H- Pettengill del MIT. 



terrestre del 30 per cento circa. La con- 
centrazione di argo 40 è circa un terzo di 
quella che si ha sulla Terra, mentre l'ab- 
bondanza nella crosta della sorgente di 
questo isotopo, il potassio 40, è circa 
uguale sui due pianeti. Queste indica- 
zioni fanno pensare che essi abbiano 
subito fuoriuscite dì gas di entità para- 
gonabile e quindi livelli analoghi di vul- 
canismo nel corso della propria storia. 
Ciononostante la presenza di anidride 
carbonica, di azoto e di argo 40 non 
indica che la perdita di gas abbia avuto 
luogo recentemente; questi gas sono 
infatti relativamente stabili e possono 
sopravvivere ne ir atmosfera per periodi 
geologici. Per avere indicazioni più vali- 
de dell'esistenza di attività vulcanica in 
tempi vicini è necessario considerare le 
nubi e i gas di zolfo che le producono, 

Anche su Venere lo zolfo è un costi- 
** tuente secondario dell'atmosfera (i 
precursori gassosi delle nubi ne formano 
lo 0,02 per cento e le particelle stesse 
delle nubi soltanto lo 0,00002 per cento) 
eppure te nubi hanno un effetto notevo- 
le sul clima del pianeta, perché riflettono 
quasi T80 per cento della luce solare 
incidente, soprattutto alle lunghezze 
d'onda del giallo e del rosso. Di conse- 
guenza Venere assorbe dal Sole una 
quantità molto inferiore di energia rispet- 
to alla Terra pur trovandosi più vicino. 



Dell'energia che non viene riflessa nello 
spazio i due terzi si depositano nelle nubi, 
che assorbono nelle lunghezze d'onda 
dell' ultravioletto e dell'infrarosso vicino: 
solo un terzo arriva all'atmosfera inferio- 
re e alla superficie, (Senza le nubi quindi 
la temperatura superficiale sarebbe anco- 
ra più elevata.) Sulla Terra avviene inve- 
ce l'inverso: due terzi dell'energia solare 
incidente sono assorbiti in superfìcie. 

Le indicazioni del fatto che il compo- 
nente principale delle nubi sia acido sol- 
forico concentrato - 75 per cento in mas- 
sa - sono indirette, ma convincenti, Lo 
spettro di riflessione nel visibile e nel- 
l'infrarosso delle parti ce ile delle nubi è 
molto simile a quello dell'acido solfori- 
co. Gli studi sulla polarizzazione della 
luce solare riflessa dalle nubi indicano 
che le particelle sono di forma sferica, e 
quindi liquide, e che hanno un indice di 
rifrazione elevato, pari a 1,44. Questi 
risultati escludono quasi tutti i possibili 
candidati diversi dall'acido solforico, e 
in particolare l'acqua che ha un indice di 
rifrazione di 1,33 e alle temperature 
prevalenti nella regione inferiore delle 
nubi evapora. Inoltre la concentrazione 
nelle nubi sia di anidride solforosa, sìa di 
vapore acqueo diminuisce rapidamente 
all'aumentare dell'altezza, e questo in- 
duce a ritenere che le due sostanze subi- 
scano reazioni chimiche le quali alla fine 
producono acido solforico (H2SO4)* 



L'acido solforico è un componente ben 
noto dell'atmosfera terrestre, presente in 
forma diluita nella pioggia acida e anche 
in forma concentrata {come su Venere) 
in uno strato molto sottile delle nubi stra- 
tosferiche. Esso viene prodotto a partire 
da anidride solforosa» così come da aci- 
do solfidrico (HiS), solfuro di dimetile 
({CH 3 ) 2 S) e solfuro di carbonile (OCS), 
La fonte principale di anidride solforosa è 
l'uso di combustibili fossili, mentre i tre 
gas ridotti sono prevalentemente sotto- 
prodotti metabolici di vari solfo batte ri. 
Ma l'anidride solforosa e due dei gas sulfu- 
rei ridotti (acido solfidrico e solfuro di 
carbonile) sono anche effluenti comuni 
dei vulcani terrestri, insieme ad acido clo- 
ridrico e acido fluoridrico. 

Tutti questi effluenti vulcanici sono 
stati rilevati nell'atmosfera venusiana. 
Poiché sono estremamente reattivi e 
quindi con una vita molto breve, e poi- 
ché su Venere non sembrano esservi 
forme di vita, si potrebbe pensare che la 
loro stessa presenza costituisca una pro- 
va dell'esistenza di attività vulcanica in 
corso. Verso la fine degli anni sessanta, 
però, John S. Lewis, ora all'Università 
dell'Arizona, ha proposto che questi gas 
derivino dalla ^cottura» di rocce super- 
ficiali dovuta al calore intenso. 1 gas si 
aggiungono all'atmosfera , secondo Le- 
wis, alla stessa velocità alla quale ne 
vengono asportati dalle reazioni con la 
superficie, cosicché il flusso netto di un 
composto in entrata o in uscita dall'at- 
mosfera è nullo. In altre parole i gas di 
zolfo, l'acido cloridrico e l'acido fluori- 
drico dell'atmosfera sono in equilibrio 
chimico con i minerali della crosta. 

Secondo il modello di Lewis il rapporto 
di mescolanza, doè la concentrazione 
atmosferica, dell'ossigeno molecolare è 
determinato da una reazione reversibile 
all'equilibrio nella quale ossido ferroso 
(FeO) in forma minerale e solfato di cal- 
cio (CaS04) in forma dì anidrite reagi- 
scono con anidride carbonica e produco- 
no calcite (CaCOj), pirite (FesS) e ossì- 
geno. Il rapporto di mescolanza previsto 
per l'ossigeno, che è molto piccolo, de- 
termina lo stato di ossidazione dei gas 
sulfurei. Di conseguenza il gas di zolfo 
prevalente sarebbe il solfuro di carbonile 
ridotto a una concentrazione di circa 600 
parti per milione. L'acido solfidrico, un 
altro composto ridotto, avrebbe un rap- 
porto di mescolanza di circa 130 parti per 
milione; quello dell'anidride solforosa 
sarebbe di sole 16 pani per milione. 

Da quando Lewis ha proposto il suo 
modello all'equilibrio, nuovi dati, alla cui 
interpretazione ho contribuito, hanno 
rivelato che quelle previsioni sono sba- 
gliate, almeno per quanto riguarda i gas 
di zolfo. Il valore misurato del rapporto di 
mescolanza dell'anidride solforosa è di 
1 50 parti per milione, quasi 1 volte quel- 
lo all'equi libri o. Le misurazioni più re- 
centi, compiute nel 1982 dai gascroma- 
tografi a bordo de He sonde Venera 13 e 
Venera 14, collocano l'abbondanza totale 
di solfuro di carbonile e di acido solfidrico 



intorno a 1 50 parti per milione, un valore 
molto inferiore al loro totale all'equili- 
brio di 730 parti per milione. Le sonde 
precedenti, Venera il. Venera 12 e Pio* 
neer Verna t avevano riscontrato livelli di 
tali composti ancora inferiori, e quindi 
un'importanza relativa dell'anidride sol- 
forosa ancora maggiore. 

Il modello all'equilibrio non è in grado 
di spiegare ì livelli elevati di anidride sol- 
forosa. Oggi è chiaro che le abbondanze 
dei gas sulfurei nell'atmosfera venusiana 
non sono determinate da reazioni rever- 
sibili con la crosta, che procedono alla 
medesima velocità nei due sensi. Lo zol- 
fo viene invece immesso nell'atmosfera 
da una sola reazione, subisce una serie di 
trasformazioni fino ad acido solforico 
che, dopo un arco di tempo geologico, 
viene sottratto all'atmosfera da una 
reazione di tipo diverso con la crosta. 

Su Venere, il ciclo dello zolfo mantie- 
ne in equilibrio due regimi chimici 
opposti, uno fotochimico e uno termo- 
chimico. Le reazioni fotochimiche au- 
mentano lo stato di ossidazione dello 
zolfo e producono le nubi di acido solfo- 
rico. L'ossigeno proviene dalla decom- 
posizione dell'anidride carbonica in 
monossido di carbonio e ossigeno da 
parte della luce ultravioletta all'interno 
e al di sopra delle nubi. Vicino alla su- 
perficie temperatura e densità elevate 
portano a reazioni termochìmiche il cui 
risultato è una riduzione netta di zolfo. 
Queste reazioni rigenerano i precursori 
gassosi delle nubi. 

Il ciclo SÌ può suddivìdere in tre parti: i 
sottocicli atmosferici «veloce» e «lento» 
e un sottociclo geologico. Il sottociclo 
veloce comincia nell'atmosfera media e 
superiore (sopra la base delle nubi a 50 
chilometri di quota) con l'ossidazione di 
anidride solforosa ad acido solforico per 
azione della luce ultravioletta. Le rea- 
zioni di ossidazione sono catalizzate da 
composti di cloro e dì idrogeno prove- 
nienti dalla fotod isso ciazio ne di acido 
cloridrico. L'acido solforico affonda poi 
nell'atmosfera inferiore calda al di sotto 
delle nubi ed evapora. L'anidride solfori- 
ca che ne deriva reagisce per via termo- 
chìmica con il monossido di carbonio e 
rigenera anidride carbonica e solforosa. 
Una molecola di zolfo completa un giro 
del sottociclo veloce in un anno circa, 

Nel sottociclo lento all'interno e al di 
sopra della regione nuvolosa si formano 
acido solforico e zolfo elementare per 
ossidazione fotochimica di acido solfidri- 
co e solfuro di carbonile; nell'atmosfera 
inferiore questi due composti allo stato 
gassoso sono ossidati a zolfo e forse ad 
anidride solforosa per azione delle radia- 
zioni dell'ultravioletto vicino trasmesse 
dalle nubi. La formazione di zolfo ele- 
mentare è una caratteristica importante 
di questo sottociclo, perché spiega l'as- 
so rbi mento da parte delle nubi della ra- 
diazione nella regione ultravioletta dello 
spettro. Alla fine acido solforico, anidri- 
de solforosa e zolfo elementare vengono 



ELEMENTO 


VENERA 13 


VENERA 14 


MAGNESIO (MgO) 


11.4 ± 6.2 


8.1 _ 3,3 


ALLUMINIO (AljO,) 


15.B ± 3.0 


17,9 ± 2,6 


SILICIO (SiO a ) 


45,1 ± 3,0 


43.7 i 3,6 


POTASSIO (K 7 0) 


4,0 2 0,6 


0,2 ± 0,1 


CALCIO (CaO) 


7,1 ± 1,0 


10,3 ± 1,2 


TITANIO (TiOJ 


1,6 ± 0,5 


1,3 * 0,4 


MANGANESE (MnO) 


0,2 ± 0,1 


0,2 ± 0,1 


FERRO (FeO) 


9,3 ± 2,2 


8,6 ± 1,8 


ZOLFO {SO,) 


t.6 2: 1,0 


0.9 ± 0,8 


ALTRI 


3.9 


3,6 



La composizione della superfìcie dì Venere è siala determinata in due punti dagli strumenti 
a fluorescenza X a bordo delle sonde Venera li e Venera 14. Nel calcolo d el Pi m portanza 
relativa dei vari elementi (espressa m percentuale del peso totale) si è presunto che ciascuno 
Tosse presente in forma di ossido. Le concentrazioni sono analoghe a quelle riscontrare in cedi 
basalti vulcanici terrestri, tranne per lo zolfi» che è più abbondante su Venere, Su questo pianeta 
però questo elemento riSoli;» molto meno abbondante del calcio, e ciò indica che la maggior 
parte del calcio si trova in forma ossidata nei silicati e nei carbonati e non nei solfati» Si ritiene 
che Possido di calcio stia sottraendo anidride solforosa a 11 1 atmosfera; i due composti reagiscono 
spontaneamente allorquando il Indio di-U'anidride solforosa supera il punto di equilibrio. 




10 



10 



10" 1 10~ 2 10^ 1 1 10 io 2 io 3 10* 

RAPPORTO DI MESCOLANZA (PARTI PER MILIONE) 



K) f 



10* 



La composizione dell'atmosfera venusiana è stata analizzata mediante telescopi installali a terra 
e con varie sonde spaziali, le ultime delie quali sono Venera 13 e Venera 14 {linee tratteggiate). 
Il grafico rappresenta su scala logaritmica i rapporti di mescolanza, ossìa le concentrazioni, di 
alcuni composti in funzione dell'altezza; l'anidride carbonica (COj) per esempio, che costitui- 
sce ri 96 per cento dell'atmosfera, è olire 10 volle più abbondante dell'azoto ( S 2 ) e circa 10 000 
volte più abbondante dell'anidride solforosa (SO?), il cui rapporto dì mescolanza è pari a circa 
150 parti per milione. L'interruzione delle linee indica la mancanza di misurazioni oltre una 
particolare fascia di altezze e noti l'assenza dei composti corrispondenti. Le ultime missioni 
Venera hanno riscontrato livelli di acido solfìdrico (H*S) e di solfuro di carbonile (OCS) 
superiori a quelli rilevati in precedenza, I valori relativi all'idrogeno (Hi) e all'ossigeno (O2) 
sono limiti superiori; la presenza di queste molecole non è stala in realtà rivelala. Anidride 
solforosa e vapore acqueo presentano diminuzioni d 'abbondanza parallele nella regione delle 
nubi» indicative del fatto che reagiscono e formano particelle dì acido solforico. L'atmosfera 
venusiana contiene anche quantità rilevami! di acido clorìdrico (HO) e fluoridrico i HI ». 



40 



41 



ridotti dall'idrogeno molecolare e dal 
monossido di carbonio formando di nuo- 
vo acido solfidrico e solfuro di carbonile 
nell'atmosfera inferiore calda. Il compi- 
mento del sottociclo lento richiede pro- 
babilmente circa dieci anni, perché lo zol- 
fo resta intrappolato per alcuni anni in 
quello veloce prima di venire ridotto- 
li rapporto di mescolanza totale dei 
composti dello zollo e, quindi, lo spessore 
delle nubi di acido solforico sono deter- 
minati nel sottociclo geologico dall'inte- 
razione tra atmosfera e crosta* un proces- 
so sul quale si dispone oggi di sufficienti 
informazioni. Tra i nuovi dati i più impor- 
tanti provengono dagli apparecchi a fluo- 
rescenza X a bordo dei moduli dì discesa 
delle sonde Venera 13 e Venera Ì4. Con 
questi dati Yu. A. Surkov e collaboratori 
dell'Istituto Vemadsky hanno di recente 
stabilito per la prima volta la composizio- 
ne in elementi della crosta. Le rocce del* 
la superficie di Venere contengono una 



quantità relativamente elevata di zolfo, 
ma per il resto le abbondanze dei loro 
elementi sono simili a quelle osservate 
in certi basalti terre stri. 

Il sottocicto geologico comincia con la 
produzione di gas di zolfo, soprattutto 
solfuro dì carbonile e acido solfidrico, 
per reazioni termochimiche della pirite, 
un minerale contenente zolfo, con ani- 
dride carbonica, acqua e monossido di 
carbonio. Una volta nell'atmosfera i gas 
attraversano più volte i sottocicli atmo- 
sferici veloce e lento. Il risultato dei le- 
gami fotochimici tra questi è una con- 
versione netta dei solfuri allo stato gas- 
soso in anidride solforosa, che si accu- 
mula quindi nell'atmosfera oltre il livel- 
lo di equilibrio termochimico. L'anidri- 
de solforosa viene rimossa dall'atmosfe- 
ra e immagazzinata sotto forma di solfa- 
to di calcio nella crosta tramite una rea- 
zione con anidride carbonica e ossido di 
calcio. Dopo centinaia o anche milioni 



di anni il solfato di calcio viene sepolto; 
poi reagisce con l'ossido di ferro rigene- 
rando la pirite e chiudendo il sottociclo. 
Surkov e collaboratori hanno trovato 
una grande quantità dì calcio nelle rocce 
della superficie venusiana, La concen- 
trazione di zolfo è però molto inferiore, 
e questo indica che la maggior parte del 
calcio compare in forma ossidata nei 
silicati e nei carbonati, e non nei solfati. 
Dal momento che l'ossido di calcio è di- 
sponìbile e che il rapporto atmosferico di 
mescolanza dell'anidride solforosa supe- 
ra il livello all'equilibrio, tra le due so- 
stanze deve svolgersi una reazione spon- 
tanea che porta alla formazione di solfato 
dì calcio. Non vi è dubbio, quindi, che 
attualmente stia avvenendo una soti ra- 
zione di anidride solforosa dall'atmosfera 
da parte del «pozzo» di ossido di calcio, 
Si può dunque spiegare la presenza dì 
anidride solforosa a concentrazioni 10 
volte superiori a quella di equilibrio solo 



60 



7 



70 



60 



50 



E 

2 40 

s 

o 

n 30 

LU 



20- 



10 



LUCE 



I 



s. 



s 3 

31 



■ — +co-^ ocs ^-+co 



+HV 



s; 








-+CO -«£- 



N,S 






+ CO +H a O 



^V-v_ 



•+CCV 



+ CaO +CO a 



FeS 3 < 



+ FeO 
' +CO 



CaSO, 



Il ciclo della zolfo responsabile della produzione delle nubi di Venere 
è costituito da Ire voltolici!. Il so It ode lo geologico {linee in colore} 
cominci:! con la reazione termochimica, nel sottosuolo « alla superficie 
di colale laviche, della pirite vulcanica (FeSz), che forma anidride 
solforosa e i composti sulfurei gassosi H2S e OCS. Nel sottociclo 
atmosferico lento {linee in grìgio) e in quello veloce {linee in nero} le 
reazioni fotochimiche generate dalla radiazione ultravioletta all'inter- 
no delle nubi e dalla radiazione violetta vicina al di sotto delle nubi 
ossidano i gas di zolfo formando cosi le particelle che costituiscono le 



nubi, ossia acido solforico (H2SO4) e varie forme di zolfo elementare 
(S). L'ossigeno proviene dalla fotodissociazione dell'anidride carbo- 
nica* Nell'atmosfera inferi ore re vaporazione e la riduzione termochi- 
mica da parte del monossido di carbonio (CO) e dell'idrogeno distrug- 
gono il materiate che costituisce le nubi e rigenerano i precursori 
gassosi di queste. La fotoossidazione porta a una conversione netta 
dell'acido solfidrico e del solfuro di carbonile in anidride solforosa, 
che reagisce in superficie con ossido di calcio (CaO) prò ducendo 
solfato di calcio H :iSn 4 >. Lo zolfo viene così restituito alla crosta. 




Nel marzo 1982 il modulo di discesa sovietico Venera 14 ha fotogra- volte superiore a quella della Terra ed è estremamente corrosiva, 
fato questa pianura venusiana. La temperatura media alla superfìcie Ciononostante gli strumenti delle sonde Venera 13 e Venera 14 hanno 
dì Venere è di 460 gradi centigradi, P almo sfera ha una pressione 100 funzionato per diverse ore e hanno trasmesso una serie di fotografie* 



con un'immissione geologicamente mol- 
to recente di gas sulfurei, 

Ta fonte di zolfo ipotizzata, la pirite, è 
■**- ' un mi aerale secondario comune ne l- 
le rocce vulcaniche terrestri. Le reazioni 
che producono gas sulfurei potrebbero 
aver luogo alla superficie di colate lavi- 
che ricche di pirite oppure al di sotto 
della superficie, nel qua! caso questi gas 
sarebbero espulsi da eruzioni vulcani- 
che, In ogni caso il meccanismo che ga- 
rantisce un flusso costante di gas sulfurei 
nell'atmosfera è di tipo vulcanico. 

Negli ultimi tempi Pettengill e Peter G. 
Ford del MIT hanno ottenuto indicazioni 
indirette dell'esistenza di estesi affiora- 
menti di pirite nella Regio Beta, dove le 
mappe radar avevano già rivelato la pre- 
senza di strutture vulcaniche. Le osser- 
vazioni compiute dal modulo orbitale di 
Pioneer Venus hanno dimostralo che la 
riflettività della superficie venusiana alle 
onde radio con una lunghezza d'onda di 
17 centimetri varia ampiamente, da un 
minimo del 3 per cento a un massimo del 
40 per cento, Una zona con una rifletti- 
vità particolarmente elevata è il Mons 
Theia, nella Regio Beta; Pettengill e 
Ford sostengono che La composizione di 
questo rilievo montuoso debba essere 
decisamente diversa da quella dei bas- 
sopiani scarsamente riflettenti che la cir- 
condano. Una rifleuività elevata implica 
un'alta conducibilità elettrica, e i tipi di 
roccia dotati della conducibilità necessa- 
ria a spiegare la rifleuività di Mons 
Theia sono decisamente pochi. Una roc- 
cia con sostanziali inclusioni di pirite, un 
efficiente conduttore, rappresenta la 
possibilità più verosimile, In confronto 
alla Regio Beta le zone dì discesa di 
Venera 13 e 14 presentano una riflettivi- 
tà molto bassa; ciò suggerisce che lo zol- 
fo trovato da queste sonde fosse per lo 
più in forma di solfato di calcio, un catti- 
vo conduttore, e non di pirite. 

La pirite superficiale della Regio Beta 
potrebbe essere il prodotto di colate la- 
viche recenti, ma potrebbe anche essere 
affiorata per alterazione, dovuta ad 
agenti meteorologici, di depositi più an- 
tichi. Poiché le nubi impediscono l'os- 
servazione diretta di colate laviche atti- 
ve o di pennacchi di gas e polvere, è 



impossibile «dimostrare» che su Venere 
siano in corso eruzioni vulcaniche, come 
invece hanno dimostrato le spettacolari 
fotografie di Io riprese dal Voyager, Sul- 
la Terra, però, le grandi eruzioni come 
quella di El Chichón del 1982 lanciano 
grandi quantità di particelle di caligine e 
gas sulfurei nell'atmosfera superiore, 
dove rimangono per mesi o addirittura 
anni, Se su Venere sono in corso grandi 
eruzioni, dovrebbe quindi esservene 
traccia al di sopra delle nubi, 

À quanto sembra è proprio così. Larry 
W. Esposito dell'Università del Colora- 
do a Boulder ha riferito Tanno scorso 
che lo spettrometro per ultravioletto del 
modulo orbitale di Pioneer Venus ha 
registrato tra il 1978 e il 1983 una dimi- 
nuzione del 90 per cento nei livelli di 
particelle di caligine (acido solforico e 
anidride solforosa) al di sopra delle 
nubi, una delle scoperte più sorprenden- 
ti di tuUa la missione, Nel 1978 i livelli 
superavano notevolmente quelli previsti 
dai ricercatori sulla base delle osserva- 
zioni compiute da terra nel corso dei 
quindici anni precedenti; un'analoga 
sovrabbondanza di particelle di caligine 
dovrebbe essersi avuta verso la fine degli 
anni cinquanta. Esposito ha proposto 
che in entrambi i casi alcune potenti eru- 
zioni vulcaniche abbiano immesso diret- 
tamente nell'atmosfera superiore ani- 
dride solforosa che poi si sarebbe tra- 
sformata in acido solforico il quale sa- 
rebbe riaffondato nell'atmosfera infe- 
riore. Gradualmente, quindi, l'abbon- 
danza elevata dì anidride solforosa e di 
particelle di caligine al di sopra delle 
nubi sarebbe ritornata ai livelli normali. 

Non è necessario supporre che i pen- 
nacchi vulcanici riescano a spingersi 
senza diluirsi fino alla sommità delle 
nubi, a 70 chilometri di altezza, un fe- 
nomeno a mio avviso improbabile. An- 
che se il gas vulcanico caldo di per sé non 
arrivasse fin sopra le nubi, infatti, l'e- 
nergìa convettiva di una eruzione mas- 
siccia si propagherebbe verso l'alto in 
forma di intense onde gravitazionali di 
ampiezza progressivamente crescente 
che finirebbero per frangersi nella re- 
gione nuvolosa in modo molto simile 
alle onde marine su una spiaggia. La 
concentrazione di anidride solforosa è 



500 volle più elevata alla base delle 
nubi che non alla sommità, e quindi un 
rimescolamento turbolento eausato dal 
frangersi delle onde gravitazionali po- 
trebbe spiegare l'aumento episodico del 
livello di anidride solforosa che può 
verificarsi nell'atmosfera superiore. La 
spiegazione richiede comunque grandi 
eruzioni vulcaniche. 

Un'altra osservazione compiuta da 
Pioneer Venus indica forse la posizione 
esatta in cui sono in corso alcune eruzio- 
ni, Frederick L. Scarf della trw Ine, e 
Christopher T. Russe!, dell'Università 
della California a Los Angeles hanno 
riferito poco tempo fa che un*antenna 
sulla sonda ha raccolto alcuni impulsi 
radio di bassa frequenza che si ritiene 
siano emessi da fulmini. Gli impulsi sono 
vistosamente raggruppati sopra diverse 
strutture superficiali: la Regio Beta, la 
Regio Aria e la Regio Phoebe, che si 
trova a sud di Beta. E difficile spiegare 
questo raggruppamento se si attribui- 
scono i fulmini a fenomeni di convezione 
casuale nell'atmosfera. Tutte e tre le re- 
gioni, però, sono state riconosciute, per 
la loro topografia, zone dì possibile ori- 
gine vulcanica, e spesso sulla Terra sono 
stati osservati fulmini nei pennacchi di 
vulcani in eruzione. Questa indicazione 
suggerisce che scariche analoghe abbia- 
no luogo anche su Venere. 

Nessuna delle considerazioni fatte è di 
per sé perfettamente convincente, 
ma prese tutte insieme costituiscono 
un'argomentazione molto persuasiva: su 
Venere esìstono vulcani attivi, e questo 
vulcanismo è un passaggio essenziale del 
ciclo chimico che produce le nubi, Finora 
non esiste alcuna indicazione chiara del- 
l'esistenza sul pianeta di una tettonica 
delle zolle, e quindi i vulcani sono proba- 
bilmente punti caldi isolati abbastanza 
simili al Mauna Loa dell'isola Hawaii. 
Sembra che ì livelli di attività vulcanica 
dei due pianeti siano grosso modo para- 
gonabili; alcuni ricercatori ritengono anzi 
che su Venere le eruzioni siano ancora 
più frequenti. Come minimo si può con- 
cludere, dopo decenni di congetture, che 
il pianeta coperto di nubi, come la Terra, 
si sta ancora evolvendo, cioè è ancora 
geologicamente vivo, 



42 



43 



Traslocazioni cromosomiche 
e cancro umano 

In una cellula del sistema immunitario i cromosomi possono scambiarsi 
segmenti di DNA in un processo che attiva geni la cui funzione oncogena 
è intensificata quando vengono avvicinati ad alcune sequenze genetiche 



Per sapere quali cromosomi conten- 
gono i geni che codificano per pani della 
molecola di un anticorpo, abbiamo esa- 
minato diversi gruppi di queste cellule. 
Qualunque cellula che producesse una 
parte della molecola doveva contenere 
uno dei cromosomi necessari. Siamo sta- 
ti in grado di determinare quali cromo- 
somi contengono i geni per una qualsiasi 
parte particolare della molecola di anti- 
corpo notando quali cromosomi umani 
erano sempre presenti nelle cellule che 
producevano quella parte, ma assenti in 
qualunque cellula che non producesse 
quella parte. 

La molecola di anticorpo consta di 
quattro catene polipeptidiche. che si le- 
gano in due coppie identiche a forma di 



Y (si veda Fili astrazione a pagina 55), La 
catena più lunga, in ogni coppia, è chia- 
mata catena pesante, quella più corta 
catena leggera, Ciascuna consiste di due 
regioni caratteristiche: la regione «va- 
riabile» e la regione «costante». La pri- 
ma riconosce gli antigeni e si lega a essi; 
la seconda specifica il compito che l'an- 
ticorpo deve svolgere (cioè la sua funzio- 
ne effettrice) dopo aver incontrato l'an- 
tigene ed essersi legato a esso. Vi sono 
numerosi tipi diversi di regione variabi- 
le, in quanto gli anticorpi sono estrema- 
mente selettivi, cioè ciascuno si lega sol- 
tanto a un antigene specifico. Per contro 
sono presenti soltanto due tipi di regione 
costante nelle catene leggere (rispettiva- 
mente kappa e lambda) e dieci tipi nelle 



catene pesanti. Capita così che gli anti- 
corpi contro differenti antigeni eseguano 
lo stesso compito. Ogni cellula B matura 
può produrre soltanto un tipo di anticor- 
po e i suoi cromosomi contengono DN A 
che codifica per le regioni variabile e 
costante, specifiche per quell'anticorpo 
(si veda l'articolo La generica della diver- 
sità ira anticorpi di Philip Leder in «Le 
Scienze* n, 167, luglio 1982). 

Nel 1979, uno di noi (Croce) e colla- 
boratori hanno scoperto che le cellule 
ibride contenenti il cromosoma umano 
14 erano le sole in grado di produrre 
catene pesanti. È evidente che i geni che 
codificano per la produzione di queste 
catene sono situati nel cromosoma 14* 
Sfruttando analoghe tecniche sperimen- 



ti! Carlo M. Croce e George Klein 



Ogni cellula umana contiene on- 
cogeni, geni potenzialmente in 
grado di provocare il cancro. 
Gli oncogeni svolgono funzioni normali 
fino all'insorgere della condizione mali* 
gna. Che cosa modifica l'oncogene da 
componente normale del congegno ge- 
netico cellulare a sorgente di trasforma- 
rlo ne cancerosa, o neoplastica?, 

Nell'ultimo decennio sono stati sco- 
perti meccanismi di differente natura 
con i quali si può attivare un oncogene 
(si veda l'articolo Una base molecolare 
per il cancro di Robert A. Weinberg in 
«Le Scienze» n. 185, gennaio 1984). A 
volte questa attivazione è dovuta a una 
« mutazione puntiforme», cioè un picco- 
lo segmento del gene viene alterato da 
una radiazione o da una sostanza cance- 
rogena. Un altro tipo di attivazione si 
svolge per «amplificazione», nella quale 
l'oncogene viene duplicato molte volte 
cosicché sono presenti, nella stessa cel- 
lula* diverse sue copie attive. In questo 
caso, l'espressione di quel gene ha luogo 
in modo esageratamente intenso; in ;»ltre 
parole la cellula può produrre in quanti- 
tà troppo elevata la proteina codificata 
dal gene e anche una proteina necessaria 
per il buon funzionamento della cellula 
può avere effetti cancerogeni quando è 
prodotta in eccesso (si veda l'articolo Le 
proteine degli oncogeni di Tony Hunter 
in «Le Scienze» n. 194, ottobre 1984). 

Un oncogene potrebbe venir attivato 
anche mediante incorporazione in un re- 
trovirus (cioè in un virus il cui materiale 
genetico consta di RNA anziché di 
DNA). Quando un retrovirus infetta 
una cellula animale, può catturare da 
questa cellula un oncogene non attivato 
che entra a far parte del corredo genetico 
di quel retrovirus e della sua progenie- 
Talvolta il processo attiva l'oncogene e 
cosi la successiva infezione da parte di 
quel ceppo di retrovirus può indurre una 
trasformazione neoplastica in una cellu- 



la diversa. Fino a questo momento non 
è chiaro quale ruolo svolgano nello svi- 
luppo dei tumori umani questi meccani- 
smi di attivazione, dato che solo pochi 
sono i tumori umani che hanno un on- 
cogene attivato in uno qualsiasi dei sud- 
detti modi. 

Il nostro lavoro e quello di altri ricer- 
catori hanno dimostrato che vi è un altro 
meccanismo, in grado di attivare un on- 
cogene: esso opera in alcuni tumori ma- 
ligni di cellule del sistema immunitario, 
chiamate cellule B . La funzione pri maria 
di una cellula B consiste nel produrre 
anticorpi (immunogiobuline), molecole 
che riconoscono altre molecole estranee, 
gli antigeni, e si legano a esse. L'espres- 
sione dei geni che codificano per la pro- 
duzione degli anticorpi deve avvenire ad 
alto livello perché la cellula B possa svol- 
gere la propria funzione in maniera ade- 
guata. Le sequenze genetiche all'interno 
dei geni che codificano per la produzione 
degli anticorpi aumentano l'attività di 
quei geni nelle cellule B. Se un riasse- 
stamento dei cromosomi di una di queste 
cellule (i cromosomi sono filamenti ba- 
stonceUari di DNA, contenenti igeni) in 
un modo o nell'altro giustapponesse una 
sequenza di questo tipo a un oncogene, 
allora l'espressione di quell'oncogene 
verrebbe incrementata. La trasforma- 
zione maligna diventerebbe apparente- 
mente una componente primaria della 
funzione di quella cellula. 

Noi abbiamo trovato che effettiva- 
mente riassestamenti del genere avven- 
gono nel linfoma di Burkitt, un tumore 
maligno del sistema immunitario a svi- 
luppo estremamente rapido. Essi conse- 
guono a t ras locazioni reciproche tra due 
cromosomi della cellula B: un segmento 
di ogni cromosoma si stacca e si sposta 
all'estremità dell'altro cromosoma (si 
veda V illustrazione a pagina 54), Nella 
maggior parte di queste traslocazioni un 
oncogene si porta in una posizione vicina 



a una delle sequenze che intensificano la 
produzione di anticorpi; meno spesso 
l'oncogene rimane al suo posto e la se- 
quenza ad azione stimolante si sposta. 

Abbiamo incontrato questo meccani- 
smo nel corso di una ricerca avviata alla 
fine degli anni settanta per identificare i 
cromosomi che contengono i geni re- 
sponsabili della produzione degli anti- 
corpi. Dopo aver localizzato la posizione 
di questi geni sui cromosomi, abbiamo 
notato che si trovano sugli stessi cromo- 
somi di cui era già nota la traslocazione 
nelle cellule del linfoma di Burkitt. La 
nostra successiva ricerca ha dimostrato 
che i due segmenti costituiti di materiale 
genetico che, nel corso della traslocazio- 
ne, si spostano da un cromosoma all'al- 
tro contengono rispettivamente un on- 
cogene e un gene che codifica per una 
pa rt e de Ila mole co 1 a d eli ' a ut i co rpo . 

TJer scoprire quali cromosomi conten- 
^ gano l'informazione genetica che co- 
difica per la produzione di anticorpi, uno 
di noi (Croce) e collaboratori hanno fat- 
to ricorso a una tecnica sperimentale che 
contempla t'uso di ibridi tra cellule so- 
matiche umane e di topo (le cellule so- 
matiche si contrappongono alle cellule 
sessuali - cellule uovo e spermatozoi - e 
sono le cellule corporee). 

Le cellule ibride sì ottengono mesco- 
lando cellule B di topo e umane in un 
mezzo contenente un fattore di fusione 
chimico o virale, che congiunge cellule 
dei due tipi. Esse presentano così sia 
cromosomi umani sia cromosomi di topo 
e ciascuna può perdere alcuni cromoso- 
mi umani durante la divisione cellulare 
(pur conservando l'intero corredo cro- 
mosomico di topo); pertanto, a mano a 
mano che le cellule si moltiplicami le 
successive generazioni possiedono sem- 
pre meno cromosomi umani e cosi, dopo 
parecchie generazioni, ogni cellula ibri- 
da ne avrà soltanto pochi. 




I cromosomi di cellule ibride, ottenute da cellule umane e dì topo, 
includono sia cromosomi umani (in colore chiaro), sia cromosomi di 
topo {in colore interno >. lino dei cromosomi umani tfreccia)ha subito 
una traslocazione* cioè un segmento a una estremità si è staccato ed 
è stato sostituito da un segmento proveniente da un altro cromosoma. 
Le traslocazioni possono attivare gtì oncogeni, geni che provocano il 
cancro* trasferendoli in vicinanza dì sequenze genetiche «intensifica- 
trici», il cui ruolo consiste ne ira urne ni a re l'attivila di certi altri geni 



presenti sullo stesso emmosuma* Dato che le cellule ibride contengono 
una parte del corredo genetico umano, ma non tutto, possono venir 
utilizzate per determinare i cromosomi che codificano per un prodotto 
umano; qualunque prodotto sintetizzato da una cellula contenente 
appena un cromosoma umano deve derivare da quel cromosoma. Gli 
autori dell'articolo hanno fatto ricorso alle cellule ibride per riuscire 
a identificare ì cromosomi contenenti certi oncogeni e per studiare gli 
effetti di varie traslocazioni sulla regni a zio ne di questi oncogeni. 



52 



53 



tali, Jan Erikson, Jeanne Martin iseuno 
di noi (Croce) hanno trovato nel 1981 
che il cromosoma 22 codifica per le ca- 
tene leggere che contengono La regione 
costante lambda. Nel 1982 O. Wesley 
McBride e co [laboratori al National 
Cancer Institute e Terence H. Rabbitts 
e collaboratori del Laboratory of Mole- 
cular Biology del Medicai Research 
Cornici! a Cambridge hanno trovato che 
il cromosoma 2 codifica per le catene 
leggere che contengono la regione co- 
stante kappa. 

Questi risultati concordavano bene 
con quelli di lavori che erano stati 
effettuati un decennio prima sulle traslo» 
cazìoni cromosomiche. Nel 1972 Geor* 
gè Manolov e Yanka Manolova, all'U- 
niversità dì Lund in Svezia* hanno tro- 
vato una irregolarità nei cromosomi di 
molte cellule che erano state colpite dal 
linfoma maligno di Burkitt: uno dei cro- 
mosomi del quattordicesimo paio (una 
cellula somatica umana ha 23 coppie di* 
stinte di cromosomi) era allungato, I 



CROMOSOMA 8 

a 



BRACCIO p 



BRACCIO q 




o o 



BRACClOp 



BRACCIO q 



CROMOSOMA 14 

Q 





*& 



Manolov, notando che una parte del cro- 
mosoma, il braccio q, aveva una lun- 
ghezza anomala, hanno chiamato questo 
cromosoma \4q + . 

Successivamente, Lore Zech in colla- 
borazione con uno di noi (Klein) al 
Karolinska Institut ha trovato che il cro- 
mosoma ]4q + è il risultato di una tra- 
slocazione reciproca; cioè si forma quan* 
do un segmento terminale dì un cromo- 
soma dell'ottavo paio si stacca e si unisce 
al cromosoma 14. Un segmento di que- 
sto cromosoma subisce una transizione 
in senso opposto e va a congiungersi con 
l'estremità del cromosoma 8. Questo 
cromosoma, così ristrutturato, prende il 
nome di %"» perché ha un braccio q 
accorciato, Più di recente altri ricercatori 
hanno scoperto che, nelle cellule del lin- 
foma di Burkitt, possono aver luogo due 
altre traslocazioni cromosomiche. Am- 
bedue interessano il cromosoma 8; in un 
tipo di traslocazione (che ha luogo in 
circa il 16 per cento dei casi di linfoma 
di Burkitt), lo scambio reciproco avviene 
tra i cromosomi 8 e 22. In circa il 9 per 




CROMOSOMA 
NORMALE 8 



CROMOSOMA 
8q- 




CROMOSOMA 
NORMALE 14 



CROMOSOMA 
Mq + 



La traslocatici ii e reciproca ira cromosoma 8 (in rosso) e cromosoma 14 Un verde) provoca la 
maggior parte dei casi di linfoma di Burkitt, un cancro delle cellule B del sistema immunitario 
umano. Un segmento di una estremità del cromosoma 8 si stacca (a ) e si sposta sul cromosoma 
14 ih). La traslocazione inversa muove un segmento dal cromosoma 14 al cromosoma H, Con 
queste traslocazioni reciproche un oncogene del cromosoma 8 finisce per trovarsi vicino a un 
gene del cromosoma 14 che codifica per la produzione di parte di un anticorpo. Un meccanismo 
che intensifica la produzione di anticorpi nelle cellule B normali attiva quindi quell'oncogene. 



cento dei casi esso interessa i cromosomi 
2 e 8, Tre dei cromosomi colpiti da que- 
ste traslocazioni - il 2, il 14 e il 22 - sono 
interessati nella produzione di anticorpi. 

L'associazione tra linfoma di Burkitt 
e produzione di anticorpi si è dimostrata 
presto più stretta. Uno di noi (Croce) 
assieme a Erikson presso il Wistar Insti- 
tute of Anatomy and Biology e Janet 
Finan e Peter C. Nowell della Schoo! of 
Medicine dell'Università della Pennsyl- 
vania hanno rilevalo che il punto in cui 
il cromosoma 14 si rompe durante la 
traslocatone con i! cromosoma 8 è si- 
tuato esattamente all'interno di quella 
parte di cromosoma 14 che codifica per 
la catena pesante delfimmunoglobulina. 
Per questi esperimenti abbiamo fatto ri- 
corso ancora una volta a ibridi di cellule 
umane e di cellule di topo; in questo 
caso» in particolare, abbiamo utilizzato 
cellule del sistema immunitario di topo 
che erano state derivate da un tipo di 
cancro noto come plasmacitoma. Ogni 
cellula ibrida conteneva, oltre al corredo 
genetico del topo, almeno un cromoso- 
ma di cellula di linfoma di Burkitt 
umano. 

Come prevedevamo, le cellule ibride 
con il cromosoma normale 14 (cioè il 
cromosoma che non era stato toccato 
dalla traslocazione) possedevano geni 
per la produzione di anticorpi; quelli con 
Il cromosoma normale 8 non ne posse- 
devano (si veda FiUttstrazhne a pagina 
58), D'altra parte, gli ibridi con un cro- 
mosoma 14 interessato in una trasloca- 
zione (il cromosoma Ì4q *) contenevano 
i geni per le regioni costanti delle catene 
pesanti, ma non quelli per te regioni va- 
riabili. Il cromosoma 8 che aveva preso 
parte alla traslocatone conteneva ì geni 
per le regioni variabili, Questi risultati 
sono la prova che il cromosoma 14 si 
rompe tra i geni che codificano per la 
regione variabile e quelli che codificano 
per la regione costante della catena pe- 
sante e che i geni che codificano per la 
regione variabile si spostano sul cromo- 
soma 8. Il locus per la catena pesante 
(cioè quella parte del cromosoma 14 che 
codifica per la catena pesante) è così 
direttamente interessato in una delle tra- 
slocazioni caratteristiche del linfoma di 
Burkitt, 

A questo punto era chiaro che il 
meccanismo del linfoma di Burkitt 
era in qualche modo in relazione con i 
geni che codificano per la produzione di 
anticorpi. Ulteriori chiarimenti sulla na- 
tura dì tale rapporto sono emersi dagli 
studi sugli oncogeni. Dato che il linfoma 
di Burkitt colpisce le cellule B, il nostro 
interesse era rivolto in particolare verso 
T oncogene c*myc m un oncogene umano 
che è in stretta relazione con l'oncogene 
v~myc, il quale provoca nei polli infettati 
con il virus della mieloeif ornatosi aviaria 
un linfoma delle cellule B. 

Tn collaborazione con Riccardo Dal- 
la- Pavera e Robert C. Gallo del National 
Cancer Institute, abbiamo sfruttato la 



stretta relazione tra geni myc umani e 
aviari per costruire una sonda che avreb- 
be identificato cellule ibride contenenti 
l'oncogene umanoc-myc. Questa sonda 
era un segmento di DNA umano mar- 
cato con isotopi radioattivi, la cui se- 
quenza genica risultava molto simile a 
quella dell'oncogene v-myc. 

Per sapere se una cellula ibrida conte- 
neva l'oncogene umano e -m ve, abbiamo 
utilizzato un enzima per ridurre in pic- 
coli segmenti il materiale genetico ; quin- 
di abbiamo separato questi segmenti in 
base alle dimensioni ricorrendo al meto- 
do della elettroforesi su gel. In una fase 
successiva abbiamo esposto il DNA a 
una soluzione contenente DNA radioat- 
tivo che fungeva da sonda. Sia il DNA 
cellulare sia la sonda erano stati in pre- 
cedenza denaturati, cioè in ciascuno dei 
due casi i due filamenti complementari 
di DNA che costituiscono questa mole- 
cola conformata a doppia elica erano 
stati separati. Dato che la sonda c-m ve e 
Toncogène umano c-myc sono presso- 
ché identici, i filamenti marcati della pri- 
ma sì sono ibridati con il c-myc cellulare, 
cioè singoli filamenti del DNA che funge 
da sonda si sono uniti a filamenti com- 
plementari di DNA cellulare, Quando 
abbiamo eliminato la soluzione conte- 
nente il DNA sonda, tutto il DNA sonda 
che si era ibridato è rimasto dove era. 
Dopo questo processo, qualunque cellu- 
la il cut materiale genetico si era ibridato 
con la sonda radioattiva ha potuto essere 
identificata grazie a una banda radioat- 
tiva specifica comparsa sulla carta da fil- 
tro che tratteneva il DNA legato. 

Abbiamo utilizzato la sonda per esa- 
minare un gruppo di cellule ibride di 
topo e umane allo scopo di determinare 
la localizzazione cromosomica del gene 
umano e -myc. Abbiamo esaminato in 
primo luogo le cellule ibride con cromo- 
somi umani normali e abbiamo trovato 
che il cromosoma umano 8 era presente 
in tutte le cellule contenenti l'oncogene 
c-myc umano e assente in quelle che ne 
erano prive; abbiamo concluso che l'on- 
cogene e -myc è situato sul cromosoma 8. 

Successivamente abbiamo esaminato 
cellule ibride che contenevano i cromo- 
somi 8 e 14 traslocati, derivati da unioni 
tra cellule di topo e cellule di linfoma di 
Burkitt umano. Abbiamo osservato che 
l'oncogene e -ra ve risiede nel piccolo seg- 
mento di cromosoma 8 che trasloca co- 
stantemente sul cromosoma i 4 nelle cel- 
lule dei linfoma di Burkitt contenenti la 
traslocazione tra cromosomi 8 e 14. 
Questo risultato ha messo in luce che le 
traslocazioni che interessano l'oncogene 
c-myc svolgono un ruolo fondamentale 
nello sviluppo del linfoma di Burkitt, 

È interessante notare come analoghe 
traslocazioni cromosomiche specifiche 
siano state osservate anche nei plasma- 
ci tomi di topo da Shinsuke Oh no, Fran- 
cis Wiener e Jack Spira, che lavoravano 
al Karolinska Institut con uno di noi 
(Klein), insieme con Michael Potter e 
collaboratori del National Cancer Insti - 




CATENA 
LEGGERA 



REGIONE 
VARIABILE 



REGIONE 
COSTANTE 



La molecola di anticorpo consiste iti due coppie identiche di catene proteiche unii e in modo 
da dar luogo a una forma srissa a Y. In ogni coppia sona presentì una catena pesante e una 
catena leggera e ognuna di queste catene presenta una regione variabile e una regione costante. 
La maggior parte dei casi di linfoma di Burkitt sono provocati da una traslocaziune di un 
oncogeni.' nel locus genetico che codifica per la catena pesante. Altri casi sono provocati da 
traslocazioni cromosomiche che interessano geni per le regioni costanti della catena leggera. 



tute. II loro studio ha permesso di sco- 
prire che le cellule maligne produttrici di 
anticorpi, nel topo, portavano una tra- 
slocazione caratteristica tra il cromoso- 
ma 1 5 e i cromosomi di topo che hanno 
o i geni per la catena pesante o i geni per 
la regione kappa della catena leggera (ri- 
spettivamente cromosomi 1 2 e 6 di to- 
po). Questi risultati hanno suggerito che 
i geni per le immunoglobuline hanno un 
ruolo nei plasmaci tomi di topo. 

Ulteriori esperimenti, realizzati da 
uno di noi (Croce), da Dalla- Fave - 
ra e da Gallo, e da Philip Leder della 
Harvard Medicai Schoo L in collabora- 
zione con Stuart A, Aaronson del Na- 
tional Cancer Institute, hanno dimostra- 
to che l'oncogene c-myc traslocato sul 
cromosoma 14 nel linfoma dì Burkitt 
umano può presentarsi in diversi modi. 
Esso consiste di tre esoni (segmenti di 
DNA che vengono trascritti in RNA 
messaggerof m*RNA), durante il pro- 
cesso che porta all'espressione del gene 
come proteina), intercalati da due intro- 
ni (segmenti di DNA che non vengono 
trascritti in m-RNA e che, pertanto, non 
si esprimono come proteine), La strut- 
tura de IT oncogene è stata analizzata da 
Dalla-Favera, Gallo e collaboratori e da 
Rosemary Watt, Giovanni Rovera e uno 
di noi (Croce) al Wistar Instìtute. In al- 
cune traslocazioni del linfoma di Burkitt 
il punto dì rottura sul cromosoma 8 è <ta 
monte» dell'intero oncogene c-myc e 
tutti e tre gli esoni di questo oncogene 
sono traslocati sul cromosoma 14; in al- 
tri casi, invece, il punto di rottura è «a 
valle» del primo esone e solo il secondo 



e il terzo vengono traslocati (si veda F il- 
lusi razione a pagina 60). In questo caso, 
l'oncogene si unisce «testa contro testai 
a uno dei geni della catena pesante, pre- 
senti sul cromosoma 14; in altre parole 
il segmento di DNA traslocato dal cro- 
mosoma 8 decorre in una direzione op- 
posta a quella del DNA proveniente dal 
cromosoma 14. 

Altri esperimenti hanno dimostrato 
che un analogo riassestamento ha luogo 
in traslocazioni che sono alla base dei 
plasmaci tomi di topo. Essi sono stati rea- 
lizzatì per la prima volta da Michael D. 
Cole e collaboratori al Medicai Center 
della St. Louis University e, in seguito, 
da Leder, da uno di noi (Croce) in col- 
laborazione con Kenneth B. Marat della 
State University of New York a Stony 
Brook, e da Jerry Adams e Suzanne 
Cory del Walter and Eltza Hall Instìtute 
of Medicai Research a Melbourne. Nei 
plasmacitomi di topo l'oncogene c-myc 
subisce un riassestamento e si presenta 
testa contro testa con un gene di catena 
pesante di immunogiobulina. Non è an- 
cora chiaro, tuttavia, se T oncogene viene 
traslocato nel locus per la catena pesante 
o se, invece, rimane sul cromosoma 15 
di topo mentre il locus per la catena pe- 
sante viene traslocato vicino a esso. 

Malgrado i vari possibili riassestamen- 
ti cromosomici che si realizzano nelle 
cellule del linfoma di Burkitt umano, ab- 
biamo trovato che la proteina prodotta 
dall'oncogene c-myc era, qualitativa- 
mente, la stessa. In particolare abbiamo 
trovato che il primo esone di c-myc non 
codifica per una proteìna: la sìntesi pro- 
teica comincia con il secondo esone. Per- 



54 



55 



te 2) si il m 

ti IH il U || 55 €1 
u H ia fi fift ii 



14q+ 






*l 



4 * * * 



«■ 



I cromosomi traslocati di una editila di linfoma di Burkitt differiscono come lunghezza dai 
loro corrisponde mi cromosomi non traslocati, In questa cellula, uno dei cromosomi dell'ottavo 
paio ha subito una trasloca/ioni- con un cromosoma del quattordicesimo paio. Il cromosoma 
8 traslocato si è accorciato, mentre il cromosoma 14, esso pure traslocato, si è allungato. 



tanto non erano stati l riassestamenti 
dell'oncogene c-myc durante la t ras loca- 
zione ad averne attivato le qualità onco- 
gene; T effetto canceroso della trasloca- 
zione non è dovuto a qualche alterazione 
all'interno del gene. 

Se il prodotto di c-myc è lo stesso nelle 
cellule normali e nelle cellule del linfoma 
di Burkitt, qual è l'effetto oncogeno del* 
la traslocazione cromosomica nel linfo- 
ma di Burkitt? Forse la traslocazione in 
qualche modo fa sì che il prodotto del- 
l'oncogene c-myc < che in piccale quanti- 
tà può essere necessario per il funziona- 
mento della cellula, si possa esprimere a 
livelli anormalmente elevati. 

In altre parole, può darsi che la tra- 
slocazione renda l'oncogene c-myc in 
grado di sfuggire ai meccanismi che nor- 
malmente ne controllano l'espressione. 
Se questo è il caso, dovrebbe esservi una 
differenza tra i livelli di espressione del 
gene traslocato e dell'oncogene normale 
C-myc nella stessa cellula. Cellule con il 
cromosoma I4q + dovrebbero avere li- 
velli elevati di m-RN A (materiale gene- 
tico che rappresenta uno stadio interme- 
dio tra la presenza di un gene su un cro- 
mosoma e la sua espressione come pro- 
teina), trascritto dal DNA di c-myc* Cel- 
lule con il cromosoma normale 8 do- 
vrebbero averne* invece, bassi livelli, 

r F , enendo presente questa possibilità 
* Kazuko Nishikura e i nostri compa- 
gni di lavoro al Wistar Institute hanno 
avviato altri esperimenti con ibridi di 
cellule umane e dì plasmaci tomi dì topo. 
Grazie a un metodo che ci ha permesso 



di distinguere gli m-RN A trascritti dal- 
l'oncogene c-myc umano dall'in- RN A 
trascritto dal c-myc di topo, abbiamo 
trovato che il gene c-myc sui cromosoma 
14# 4 si esprime a livelli elevati; invece jl 
gene c-myc sul cromosoma 8 normale è 
relativamente silente nello stesso tipo di 
cellula di plasmacitoma. 

In esperimenti paralleli abbiamo in- 
trodotto un gene c-myc sul cromosoma 
8 normale in cellule di plasmacitoma di 
topo. Quel gene era derivato da cellule 
B umane non cancerose e abbiamo tro- 
vato che esso* che era stato espresso (an- 
che se a bassi livelli) nelle cellule B uma- 
ne, era completamente silente nelle cel- 
lule dt plasmacitoma di topo. In altri stu- 
di Adams e Cory hanno trovato che in 
cellule di plasmacitoma di topo l'onco- 
gene c-myc dì topo non traslocato non 
si esprime. Così, mentre un gene c-myc 
normale (non traslocato) viene represso 
in una cellula di plasmacitoma di topo, 
un oncogene c-myc che viene traslocato 
sul cromosoma 1 4 nel locus per la catena 
pesante sfugge in qualche modo ai mec- 
canismi che normalmente controllano la 
trascrizione. 

Abbiamo anche preso in esame gli 
m-RN A trascritti nel c-myc di cellule di 
linfoma di Burkitt che presentano una 
tras locazione variante. In queste cellule» 
infatti, il primo esone del gene c-myc 
rimane sul cromosoma 8 e gli altri due 
e soni sono ristrutturati in modo da tro- 
varsi testa contro testa con i geni del 
cromosoma 14. (Ciascuna di queste cel- 
lule aveva, oltre al cromosoma trasloca- 
to, un cromosoma 8 normale,) In questi 



casi la differenza tra m-RN A del gene 
traslocato e quello del gene presente sul 
cromosoma 8 normale è relativamente 
facile da scorgere: il gene traslocato ha 
subito un riassestamento parziale e, per- 
tanto, gli m-RN A da esso trascritti sa- 
ranno diversi. In queste cellule Abbas 
ar-Rushdi e altri nostri collaboratori 
hanno potuto osservare elevati livelli di 
m-RNA trascritti dal gene c-myc traslo- 
cato, ma non dal gene c-myc normale, 

Questi risultati indicano che l'oncoge- 
ne c-myc va incontro a una « deregola- 
zione» come conseguenza della vicinan- 
za a geni che codificano per anticorpi. 
Questa conclusione è rafforzata da os- 
servazioni riguardanti due traslocazioni 
che hanno luogo nel linfoma di Burkitt 
e che non interessano il cromosoma 14. 
Una di queste traslocazioni avviene tra 
il cromosoma 8 e il cromosoma 22, il 
cromosoma che contiene i geni che co- 
dificano per le catene leggere del tipo 
lambda. L'altra avviene tra il cromoso- 
ma 8 e il cromosoma 2, cioè quel cro- 
mosoma che contiene i geni che codifi- 
cano per le catene leggere kappa. In am- 
bedue, come uno di noi (Croce) ha di- 
mostrato in collaborazione con Nowell 
e con Gilbert Lenoir del Centre Inter- 
national de Recherche sur le Cancer di 
Lione, il gene c-myc rimane sul cromo- 
soma 8, dove viene raggiunto da una 
sequenza che codifica per la produzione 
di anticorpi (in un caso dal locus per la 
catena leggera lambda e nell'altro dal 
locus kappa). O Tuna o l'altra trasloca- 
zione attiva l'oncogene rendendolo inca- 
pace di reagire ai meccanismi che ne 
controllano l'espressione. È evidente 
che l'oncogene c-myc non deve muover- 
si per esprimersi a livelli elevati. 

Che cosa è responsabile della derego- 
lazione dell'oncogene c*myc che ha 
luogo in queste traslocazioni? Un'osser- 
vazione sperimentale suggerisce una ri- 
sposta: Tonco gè ne c-myc traslocato del 
linfoma di Burkitt viene represso nelle 
cellule ibride ottenute da fioro biasti 
(cellule del tessuto connettivo) di topo, 
mentre si esprime a livelli elevati in quel- 
le ottenute da cellule di plasmacitoma 
(cellule maligne produttrici di anticor- 
pi). Sembra che la traslocazione abbia un 
effetto oncogeno solo in una cellula che 
produce anticorpi, cioè una cellula in cui 
le regioni cromosomiche necessarie per 
La produzione di anticorpi siano partico- 
larmente attive. 

Queste regioni cromosomiche con- 
tengono un tipo di sequenza genica che 
è chiamato sequenza «intensificatrice» 
(enhancer). Sequenze geniche con fun- 
zione intensificatrice sembrano accre- 
scere i livelli di trascrizione di certi altri 
geni sullo stesso cromosoma; esse sono 
una recente scoperta e poco si sa della 
modalità del loro funzionamento- Ricer- 
catori nel laboratorio di Kathryn L> Ca- 
larne dell'Università della California a 
Los Angeles, in quello di Walter Shaff- 
ner dell'Università di Zurigo e di Susu- 



56 




CELLULA DI LINFOMA 
DI BURKITT UMANO 



FATTORE DI FUSIONE 





CELLULA 

DI PLASMACITOMA 

DI TOPO 




NON CODIFICA 
PER ALCUN 
ANTICORPO 



CODIFICA PER LA 
CATENA PESANTE 



CODIFICA PER LA 
REGIONE COSTANTE 

DELLA 
CATENA PESANTE 



\ / 



CODIFICA PER LA 
REGIONE VARIABILE 

DELLA 
CATENA PESANTE 



II punto di rottura sul cromosoma 14 che subisce la traslocatone si trova all'interno della 
regione che codifica per Li catena pesame dell'anticorpo, come è dimostrato in questo espe- 
rimento. Una cellula di linfoma di Burkilt umano, contenente i cromosomi 8 e 14 normali e 
traslocati* è stata fusa con una cellula di plasmaci! orna di topo ( una cellula cancerosa del sistema 
immunitario di topo). Ogni cellula ibrida ha tonscr\atounu dei cromosomi della cellula umana. 
Le cellule ibride contenenti il cromosoma 8 normale {in rosso} non hanno prodotto anticorpo; 
quelle con il cromosoma 14 normale Un verde) hanno prodotto la catena pesante dell'anticorpo. 
Il cromosoma 14 interessato mila I rasi ocu/io ne conteneva geni soltanto per le regioni costanti 
delle catene pesanti e il cromosoma 8. pure interessatilo nella traslocazione, contenera geni 
per la regione variabile delle stesse catene. È chiaro che, nella traslocazione* il cromosoma 14 
si rompe direttamente tra I loci che codificano per le regioni costanti e per le regioni variabili. 



mu Tonegawa del Massachusetts Insti- 
tute of Technology (mit) hanno trovato 
che sequenze intensifìcatrici sono pre- 
senti nel segmento di DNA che codifica 
per un tipo di regione costante della ca- 
tena pesante deirimmunoglobulina. Re- 
centi studi compiuti al Wistar Insuline 
suggeriscono l'ipotesi che sequenze in- 
tensificai ri ci supplementari siano pre- 
senti nel iocus per la catena pesante. 
Inoltre, David Baltimore e collaboratori 
al MIT hanno trovato sequenze di questo 
genere nei segmenti cromosomici che 
codificano per la regione costante kappa 
della catena leggera. 
Questi risultati suggeriscono un pos- 

58 



sibile meccanismo per il linfoma di Bur- 
kitt: le traslocazioni cromosomiche in 
una cellula B giustappongono ronco gè- 
ne c-myc alle sequenze intensifìcatrici; 
queste sono in grado di attivare la tra- 
scrizione su distanze considerevoli. Il ge- 
ne c-myc si esprime quindi nello stesso 
modo in cut i geni per le immunoglobu- 
line si esprimono in una cellula normale 
B. In un certo senso l'espressione del- 
l'oncogene c-myc diventa parte della 
funzione specializzata della cellula. 

Studi recenti indicano che questo mec- 
canismo de II 'oncogenesi può essere 
responsabile di molte altre forme mali- 



gne che interessano cellule del sistema 
immunitario umano. JorgeJ. Yunis della 
Medicai School dell'Università del Min- 
nesota ha messo a punto un nuovo me- 
todo di colorazione a bande dei cromo- 
somi, che permette un riconoscimento 
altamente precìso di modificazioni cro- 
mosomiche specifiche in cellule maligne, 
Le traslocazioni tra cromosoma 1 4 e seg- 
menti o del cromosoma Ho del cromo- 
soma 18 sono comuni nei linfomi delle 
cellule B degli adulti, nelle leucemie cro- 
niche umane da cellule B e nel mieloma 
multiplo. Questa osservazione* assieme 
alla conoscenza che abbiamo del ruolo 
del Iocus per la catena pesante dell'im- 
munoglobulina sul cromosoma 14 nel 
linfoma di Burkitt, indica che gli onco- 
geni umani possono trovarsi sui cromo- 
somi 1 1 e 18; questa congettura è soste- 
nuta dai risultati del lavoro di Yoshishi- 
de Tsujimoto che lavora al Wistar Insti - 
tute in collaborazione con Yunis e No- 
welL Da parte nostra, abbiamo trovato 
che i punti di rottura in queste trasloca- 
zioni erano costantemente raggruppati 
in brevi segmenti sul cromosoma 1 1 o 
1 8 ; inoltre essi si trovano sempre dì fron - 
te al segmento del cromosoma 14 che 
codifica per la regione costante della ca- 
tena pesante. Per i due ipotetici oncoge- 
ni sui cromosomi 1 1 e 18 abbiamo pro- 
posto le designazioni hcl-l e bei -2 (lin- 
foma delle cellule £/ leucemia 1 e 2). 

Osservazioni compiute nel corso dello 
studio del linfoma di Burkttt schiudono 
due nuove importanti aree alla ricerca. 
In primo luogo, vi è la questione delle 
sequenze intensifìcatrici. Quali sono le 
precise sequenze di DNA che hanno 
questa funzione e in che modo aumen- 
tano il livello di trascrizione di certi geni? 
L'altra area riguarda l'oncogene c-myc. 
Qual è la sua funzione in una cellula 
normale e perché l'espressione costitu- 
tiva di c-myc a livelli elevati dovrebbe 
provocare cancro? 

Oltre a queste nuove aree di ricerca, 
il nostro lavoro suggerisce nuovi modi di 
affrontare sperimentalmente lo studio 
dei neoplasmi delle cellule B. Molte di 
queste forme maligne interessano la tra- 
slocazione di un oncogene ignoto nel Io- 
cus per la catena pesante sul cromosoma 
14. Questo Iocus è relativamente ben 
conosciuto e vi sono delle sonde costi- 
tuite da acidi nucleici che permettono a 
un ricercatore di studiare segmenti di 
DNA vicino a esso. Dato che le traslo- 
cazioni tendono a portare l'oncogene in 
stretta prossimità del Iocus per la catena 
pesante, queste sonde offriranno ai ri- 
cercatori il mezzo per identificare, isola- 
re e caratterizzare i geni connessi con la 
maggioranza delle neoplasie umane a 
carico delle cellule B. In questo modo, 
la conoscenza della genetica della pro- 
duzione degli anticorpi permetterebbe 
di conoscere anche la struttura genetica 
degli oncogeni appena isolati. 

La ricerca sulle traslocazioni cromo- 
somiche può anche portare a nuovi me- 
todi di diagnosi e di caratterizzazione di 






CROMOSOMI NORMALI 



GENI CHE CODIFICANO PER LA REGIONE COSTANTE 
DELLA CATENA PESANTE 

t \ 




GENI CHE CODIFICANO PER LA REGIONE 
VARIABILE DELLA CATENA PESANTE 

r "\ 



GHZHD 



KM 



ONCOGENE c-myc 



CROMOSOMA 14 




CROMOSOMA B 



CROMOSOMI TRASLOCATI 



CHZH3HJ 




CROMOSOMA 14 



-St- 



esone I ESONE li ESONE III 
CROMOSOMA 8 



^^>+>^ 



C 



CROMOSOMA 14 



4D 



c-myc 



C-myc 




-^<r- 



ESONE II ESONE MI 
CROMOSOMA B 




=L> 



GENI CHE CODIFICANO 
y PER LA REGIONE COSTANTE LAMBDA 
DELLA CATENA LEGGERA 




ESONE I ESONE II ESONE MI 

CROMOSOMA 8 



-Xr 



CROMOSOMA 22 



c-myc 




ESONE t ESONE II 
— CROMOSOMA 8 



ESONE MI 



GENI CHE CODIFICANO 

PER LA REGIONE COSTANTE KAPPA 

DELLA CATENA LEGGERA 



->^ 



CROMOSOMA 2 



Il Milioni;! di Burkìtl pirò essere provocato da varie tra slot azioni. Nel 
caso più comune ut I lui ti e tre gli esoni (sequenze di DNA che 
codificano per le proteine) dell'oncogene c-myc si spostano dal cro- 
mosoma 8 a una sezione del cromosoma 14 adiacente ai geni che 
codificati o per la regione costante della catena pesante dell'aliti corpo* 
In alternali va (6)* il cromosoma 8 sì rompe nel primo introne (seg- 
mento di DNA «nonsenso», cioè non trascrìtto in RNA messaggero), 



nel qual caso solo due esoni si spostano sul cromosoma 14. In altre 
tra si oca/ioni, il c-myc rimane sul cromosoma 8* mentre i geni che 
codificano per la regione costante della catena leggera dell'anticorpo 
si uniscono a esso. In uno di questi casi (e), i geni che codificano per 
le regioni costanti del tipo «lambda» sono traslocati dal cromosoma 
22; i geni del cromosoma 2, che codificano per le regioni costanti 
«kappa». possono anch'essi prendere parte a questa trasloca ti one Uh. 



tumori maligni del sistema immunitario. 
I punti di rottura sui cromosomi, per 
esempio» si concentrano entro corti seg- 
menti dì DNA nei tumori maligni a ca- 
rico di cellule B che mostrano trasloca- 
zioni tra i cromosomi 11 e 1 4, o tra i 
cromosomi 14 e 18, Dovrebbe pertanto 
essere possibile mettere a punto sonde 
dì DNA specifiche per questi piccoli seg- 
menti. Un campione di tessuto potrebbe 
allora essere prelevato dalla regione col* 
pila e le sonde di DNA potrebbero es- 
sere utilizzate per determinare esatta- 
mente quale tipo di riassestamento cro- 
mosomico è responsabile del cancro. 



Risultati conseguiti molto di recente 
indicano che quanto è stato appreso per 
le neoplasie a carico delle cellule B è 
applicabile anche alle neoplasìe a carico 
delle cellule 7\ che sono l'altro principa- 
le componente del sistema immunitario. 
Uno di noi (Croce), in collaborazione 
con Rovera e con Mark M Davis della 
Stanford University, ha trovato che il 
gene per la catena alfa dei recettori delle 
cellule T si trova nella regione del cro- 
mosoma 14 che è interessata in alcune 
traslocazionr caratteristiche di certe neo- 
plasie che colpiscono le cellule 7". 

I nostri studi sul meccanismo che sta 



alla base del linfoma di Burkttt hanno 
così implicazioni che vanno al di là dì 
questa malattia. Le traslocazioni nel lin- 
foma dì Burkiti forniscono in apparenza 
un modello per la maggioranza delle for- 
me dì cancro umano a carico delle cellule 
B (e forse anche di quelle a carico delle 
cellule 7"). Inoltre la conoscenza del 
meccanismo della traslocazione fornirà 
strumenti sperimentali potenti non solo 
per lo studio di altre forme di cancro, ma 
anche per lo studio dei meccanismi che 
controllano l'espressione genetica du- 
rante lo sviluppo e il funzionamento nor- 
mali del sistema immunitario umano, 



60 



Una fortezza 
e un centro funerario neolitici 

Scavi compiuti a Hambledon Hill, nell'Inghilterra sudoccidentale, 
rivelano che verso il 3600 a.C. vi si sviluppò un centro funerario, 
sul cui sito venne costruita in epoca successiva una grande fortezza 

di R, J, Mercer 



Hambledon Hill è un punto di 
riferimento di proporzioni im- 
ponenti per chi si trovi nella 
valle scavata dal fiume Stour attraverso 
il paesaggio calcareo dell'Inghilterra 
sudocridentale, Un pastore del Neoliti- 
co che attorno al 3400 a.C avesse rivol- 
to lo sguardo verso la cima della collina 
avrebbe osservato uno spettacolo gran- 
dioso, Hambledon Hill era allora coro- 
nato da un'immensa cinta difensiva con 
tre terrapieni concentrici. Quello inter- 
no, il più imponente dei tre, era soste- 
nuto da 10000 travi di quercia del dia- 
metro di un palo telegrafico. Nel fossa- 
to attorno ai terrapieni crani umani col- 
locati a un certo intervallo l'uno dall'al- 
tro conferivano una nota lugubre alle 
fortificazioni, 

Il complesso neolitico di Hambledon 
Hill non aveva sempre avuto una fun- 
zione difensiva. L'imponente fortezza fu 
la fase finale in un processo di modifica- 
zione e di espansione che ebbe inizio 
attorno al 3600 a.C. e che potrebbe es- 
sere durato varie centinaia di anni. Dal 
punto di vista archeologico, più sor- 
prendente delle fortificazioni È la possi- 
bilità che, ai suoi inizi, Hambledon Hill 
sia servito come scenario per complessi 
rituali funebri. Pare che, quando moriva 
un membro di una delle comunità vicine 
alla collina, la salma venisse esposta alle 
intemperie in un'area ben precisa. In al- 
cuni casi accanto al corpo venivano forse 
deposte offerte di oggetti preziosi. Una 
volta che la carne si era staccata dalle 
ossa, alcuni cadaveri venivano probabil- 
mente prescelti per essere sepolti in altra 
sede, con ulteriori cerimonie. 

L'intenso programma edilizio di Ham- 
bledon Hill fu il risultato di importanti 
sviluppi sociali verificatisi nel Neolitico, 
che ebbero inizio in Gran Bretagna at- 
torno al 4000 a.C. con il passaggio dalla 
caccia e raccolta all'agricoltura. Le prime 



comunità agricole non avevano proba- 
bilmente una base economica abbastanza 
stabile per costruire insediamenti perma- 
nenti; sono state trovate infatti ben poche 
tracce delle comunità agricole più anti- 
che. A distanza di pochi secoli, però, la 
stabilità economica dovuta air agricoltura 
permise a una parte dei membri della 
comunità di passare ad attività diverse 
dall'agricoltura stessa o dalla pastorizia. 
Le fortificazioni e i rituali funebri a Ham- 
bledon Hill furono una conseguenza del- 
l'affrancamento di ingenti energie umane 
in seguilo allo sviluppo dell'agricoltura, 
da attività di sussistenza. Hambledon Hill 
è fra ì maggiori siti neolitici finora ripor- 
tati alla luce in Europa ed è uno fra i 
pochi in cui fossero molto sviluppati i 
rituali funebri. Questo sito ci aiuta perciò 
a delineare un nuovo quadro della vita in 
Gran Bretagna durante il Neolitico. 

In che modo è stato ricostruito il qua* 
dm della vita e dei rituali a Hamble- 
don Hill? La campagna di scavi e rilievi 
sul campo, nota come Hambledon Hill 
Excavation and Field Survey Project, si 
protrasse dal 1 974 al 1 982 e rappresen- 
tò un'azione di emergenza per salvare 
opere dell'Età della pietra dairin visio- 
ne dell* agricoltura moderna. Da molto 
tempo si sapeva che a Hambledon Hill 
c'erano manufatti dei Neolitico. Già nel 
1913 l'architetto e antiquario inglese 
Heywood Sumner aveva scoperto dei 



resti e disegnato una fra le prime piante 
di un sito neolitico fortificato pubblicate 
in Gran Bretagna, 

Una breve missione esplorativa com- 
piuta nel 1 959 da Desmond Bonney , del- 
la Royal Commission for Historical Mo- 
numents, dimostrò che sulla collina esi- 
stevano altri terrapieni risalenti ai Neoli- 
tico ed espresse l'opinione che il comples- 
so poteva meritare uno scavo su vasta 
scala. Air inìzio degli anni sessanta si era 
cominciato ad arare il suolo per prepara- 
re pascoli per le pecore. Se quest'opera- 
zione fosse proseguita a lungo avrebbe 
finito col distruggere le prove necessarie 
per la comprensione di quel grande mo- 
numento. Pertanto, nel 1974 fu intrapre- 
so uno scavo che, alia fine, interessò un'a- 
rea di circa 60 000 metri quadrati. 

Il lavoro sul campo portò alla luce 
sulla collina i resti di varie strutture neo- 
litiche correlate (si veda lìlìttsirazìone a 
pagina 67). La maggior parte dei manu- 
fatti connessi con riti funebri è slata tro- 
vata all'interno di una grande area recin- 
tata {il recinto principale) con passaggi 
sopraelevati, o rialzi al centro della col- 
lina, Due Lunghi tumuli, bassi monticeli! 
allungati che potrebbero avere avuto 
una funzione cerimoniale, erano dispo- 
sti l'uno di fronte all'altro ai due lati del 
recinto principale, uno a sud e l'altro a 
nord, Uno spazio recintato minore (il 
recinto di Stepleton) occupava la som- 
mità del contrafforte sudorientale della 



Hambledon Hill e un affi ora monto di chalk (un calcare biancastro) che domina un'area di ricchi 
pascoli. Durante l'Eia della pietra la collina fu coronala da una grande necropoli e poi da una 
fortezza. Nella fotografia si può vedere ben poco dei monumenti neolitici. I terrapieni sul 
contrafforte settentrionale della collina (in basso) appartengono a un forte dell'Età del ferro, 
costruito su parte delle fortificazioni neolitiche. 1 resti connessi a riti funebri del Neolitico 
furono perloppiù. riportati alla luce al centro delia collina e sul contrafforte di Stepleton 
(in alto a ministra). Le fortifica/ioni del Neolitico proleggevano rimerà sommità della collina 
ed erano particolarmente imponenti sulle pendici meridionali e occidentali Un atto a destra). 



64 




65 





1 ii posizione strategica di Hambledon Mijj fu uno dei motivi dt-IIu 
scelta dì questa località per rinsediamento da parte di una comunità 
del Neolitico inferiore. La collina domina il corridoio scavato daJ fiume 
Stour nel paesaggio calcareo dell'Inghilterra sud occidentale e so* rasla 
i ricchi pascoli della valle di Blackmore verso ovest. Attorno al 4000 
a.C, ;ill'itii/io del Neolitico-, in quest'area potrebbe essersi concentrata 
una popolazione a t Irai t a dalla disponibilità di due risorse chiave: ricchi 
pascoli e «elee per la produzione di utensìli. La fortezza neolitica in ci* 
ma alla collina doveva essere visibile a chilometri di distanza ai mem- 
bri delle comunità che vivevano nelle pianure ai piedi della collina. 



collina. Esso fu probabilmente un'area 
residenziale per almeno una parte del 
tempo in cui fu usato nel Neolitico. 

Le fortificazioni difensive che cinge- 
vano la cima della collina erano parti- 
colarmente solide sulle pendici me- 
ridionale e occidentale, fra il recinto dì 
Stepleton e il recinto principale. Può 
darsi che ci fosse anche un terzo recinto 
in una posizione strategica per la difesa 
sul contrafforte settentrionale della col- 
lina, ma in tal caso si troverebbe sotto un 
forte collinare molto posteriore, risalen- 
te all'Età del ferro, e non è stato ancora 
scavato. Malgrado la notevole vicinan- 
za, le strutture difensive e i monumenti 
funerari non furono con ogni probabilità 
contemporanei; determinare la crono- 
logia delle fasi di costruzione sul sito è 
stata una delle sfide più grandi del pro- 
getto di ricerca sul campo. 

Oltre alla posizione strategica, senza 
dubbio vari fattori economici influirono 
sulla scelta dell'imponente collina come 
sito di costruzione, La collina domina 



un'area ben fornita ài due risorse d'im- 
portanza critica all'inizio del Neolitico: 
terra da pascolo e selce. I ricchi pascoli ai 
piedi della collina comprendono la Valle 
di Blackmore a ovest e i fianchi degli 
altipiani calcarei di Cranborne Chase a 
est. I terreni calcarei, di quel calcare 
biancastro di origine pelagica chiamato 
chalk, sono ricchi di selce e vi abbonda- 
no le armi da caccia e le asce in selce dei 
cacciatori preistorici, 

T'area attorno a Hambledon Hill, es- 
-^ sendo una regione fertile in cui era- 
no già concentrati cacciatori preistorici, 
fu un sito naturale per lo sviluppo dell'a- 
gricoltura già in epoca molto antica. Il 
processo di sviluppo potrebbe essere 
stato accelerato dall'arrivo di immigran- 
ti dal continente europeo, in possesso di 
tecniche e materiali nuovi, ma questa 
parte del Neolitico in Gran Bretagna 
non è ancora ben compresa. In ogni caso 
attorno al 4000 a.C. era già in corso la 
transizione a un'economia agricola. 



Nel passaggio da gruppi dediti alla cac- 
cia e raccolta a comunità agricole stabilì 
ebbe un ruolo importante un nuovo tipo 
di struttura architettonica: il recinto cir- 
condato da mura. Questo favoriva il con- 
trollo delie risorse, delimitando aree in 
cui venivano svolte attività specializzate 
(come la fabbricazione dì utensili) e for- 
nendo alla comunità una difesa da attac- 
chi esterni, Nell'Inghilterra meridionale 
sono note una sessantina di aree cintate 
neolitiche, di superficie compresa fra uno 
e 70 ettari. In generale attorno alla cir- 
conferenza esterna del muro di cinta 
correva un fossato. La struttura com- 
plessiva variava da una semplice area 
cinta da un solo fossato a siti anche con 
cinque anelli concentrici di fossati. 

Facendo astrazione dalla complessità 
della loro struttura, quasi tutte le aree 
recintate neolitiche condividevano una 
caratteristica costruttiva: i fossati attor- 
no all'area cintata non erano continui, 
bensì interrotti a intervalli irregolari da 
rialzi perpendicolari all'asse maggiore 
della depressione circolare, La presenza 
di questi passaggi sopraelevati induce a 
pensare che i fossati non fossero conce- 
piti tanto come barriere difensive quan- 
to piuttosto come cave da cui estrarre 
i materiali utilizzati nella costruzione 
dell'argine o terrapieno interno. In al- 
cuni casi il terrapieno si è conservalo, 
anche se ovviamente Le sue dimensioni 
sono state molto ridotte dall'erosione. 
Materiale da costruzione e stile del ter- 
rapieno dipendevano probabilmente 
dalle risorse disponibili e dalla funzione 
dell'area recintata. 

A Hambledon Hill il recinto principa- 
le, al centro della collina, formò uno dei 
siti di maggiore interesse per le ricerche 
sul campo. Poiché nel 1 974, all'inizio del 
progetto di scavo e ispezione del sito, si 
sapeva molto poco su quest'area monu- 
mentale , si adottò in principio una stra- 
tegia molto semplice: si scavò il 20 per 
cento circa dell'area all'interno del re- 
cinto principale, nel desiderio dì accer- 
tare a quale uso esso fosse stato adibito 
in tempi neolitici. Fu scavata inoltre 
press'a poco la stessa percentuale dì fos- 
sato esterno e questi lavori fornirono 
ulteriori informazioni sulla funzione del 
sito. Lo scavo del fossato permise di fis- 
sare una cronologia delle fasi dell'uso di 
questa parte dei complesso di Hamble- 
don Hill, cronologia che si fondò su da- 
tazioni con il carbonio radioattivo e su 
una ricostruzione accurata degli strati 
accumulatisi nel fossato a partire dall'e- 
poca in cui fu scavato. 

Le prime operazioni rivelarono che il 
sottosuolo di Hambledon Hill aveva 
sofferto gravi danni per l'erosione e i 
lavori agricoli. Fu subito evidente che la 
collina era stata arata verso la fine del 
Neolitico, nell'Età del bronzo e del fer- 
ro, oltre che in epoca romana e me- 
dioevale. I millenni di aratura avevano 
asportato da 70 centimetri a un metro 
della parte superiore del suolo. 

La rimozione dì una quantità così 



66 



considerevole di suolo pose un grave 
problema archeologico, perché assieme 
al suolo erano andate perdute in gran 
parte, dalle fondamenta degli edifici, le 
buche per pali e altre strutture in legno. 
Oggi perciò siamo in grado di dire ben 
poco sulle abitazioni e su altre strutture 
che potrebbero essere esistite a Ham- 
bledon Hill. Questa è una perdita molto 



grave. Molte fra le buche nel recinto 
principale erano però così profonde 
che la loro parte inferiore potè soprav- 
vivere all'aratura: esse hanno fornito 
così molti particolari affascinanti su 
pratiche rituali del Neolitico. 

Era chiaro che in molti casi le buche 
erano state scavate e lasciate aperte, 
cosicché un sedimento di chalk natu- 



ralmente eroso aveva finito col deposi- 
tarsi sul loro fondo. Solo quando ciò era 
accaduto, erano stati deposti nella buca 
oggetti scelti con cura. Questi gruppi di 
oggetti, comprendenti vasellame, asce 
in pietra e corna di cervo nobile, erano 
presumibilmente offerte rituali che for- 
se accompagnavano le spoglie esposte 
nel recinto, 



FORTE DELL'ETÀ 
DEL FERRO 




SISTEMA DI OPERE DIFENSIVE 
ESTERNE DI SHROTON 



TUMULO LUNGO 



, SISTEMA DI OPERE 
[DIFENSIVE ESTERNE 
I HANFORD 



200 METRI 




RECINTO 
STEPLETON 



SISTEMA DI OPERE J 

DIFENSIVE ESTERNE Di STEPLETON 



J 

>*?' 



La pianta del sito illustra in che modo si sviluppò Hambledon Hill. 
Nella sua fase iniziale fin giallo) il silo fu un centro per cerimonie 
Funebri. 11 recinto principale con passaggi sopraelevati o rialzi, al 
centro della collina, era il luogo in cui venivano inizialmente esposte le 
salme. Dopo che la carne si era slaccala dalle ossa, i resti di alcune di 
esse proba bilmente venivano sepolti in un paio di tumuli lunghi situati 
a nord e a sud del recinlo principale. Il recinto di Steptclon potrebbe 
essere stato un luogo residenziale per un piccolo gruppo privilegiato 



di persone che guidavano le cerimonie funebri. Quando il centro funera- 
rio declinò, la comunità neolitica trasformò il sito in fortezza. Un terra- 
pieno fu costruito sulle pendici meridionale e occidentale e sul contraf- 
forte di Stiro li »n (in verde). Un terzo recinto, sul conlrafTorte settentrio- 
nale, sotto il forte dell 1 Età del ferro, potrebbe essere stato il centro 
di comando della fortezza. Altri due terrapieni (in color prugna) 
rafforzarono in seguito quello principale lungo la pendice meridiona- 
le, che degrada dolcemente e quindi è maggiormente vulnerabile. 



67 



Gli oggetti trovati avevano senza dub- 
bio un valore di allo prestigio per i mem- 
bri della comunità neolitica. I frammenti 
di vasellame recuperali dalle buche sono 
chiaramente i resti di vasi completi. Ri- 
spetto ai cocci rinvenuti in altre parti del 
sito, essi comprendono un'alta percen- 
tuale di oggetti importati da regioni lon- 
tane, come la Cornovaglia e il Devon. In 
parte ì recipienti sono molto grandi e fu- 
rono eseguiti con un'abilità che pungolò 



altri artigiani all'imitazione (riuscita solo 
in parte) con materiali locali. 

Fra altri oggetti importanti rinvenuti 
nelle buche vi sono asce di pietra. L'ana- 
lisi del materiale con cui furono fabbri- 
cate dimostra che esse provenivano dal- 
la Cornovaglia, dal Galles meridionale e 
da Borrowdale nel Cumberland. Il pre- 
gio di questi depositi funerari per gli abi- 
tanti del Neolitico è suggerito dal fatto 
che le asce erano oggetti abbastanza 



ambiti da giustificarne l'importazione da 
distanze che per quei tempi erano enor- 
mi: ben 400 chilometri nel caso di Bor- 
rowdale. Ancora più sorprendente fu il 
ritrovamento di due asce, una di nefrite 
e una di giadeite, che non sono origina* 
rie della Gran Bretagna ma che verosi- 
milmente provengono dalla Bretagna o 
forse da ancor più lontano. 

Gli oggetti trovati nel recinto princi- 
pale suggerirebbero perciò una connes- 



FOSSATO RIALZO 

DELLA FASE 1 




FOSSATO DELL'OPERA 
DIFENSIVA ESTERNA 
PRIMARIA 



25 METRI 



TERRAPIENI 
SECONDARI 



FOSSATI DELLE OPERE 
DIFENSIVE ESTERNE SECONDARIE 



ti recinto di Stepleton era probabilmente una zona residenziale (in 
giallo), come indicano i rifiuti che vi sono stati trovati. Lo scavo del 
fossato appartenente alla fase 1 della storia dei sito ha Tornito materiale 
per un argine di cui rimane ben poco. In alto a sinistra vi era l'ingresso al 
recinto. Le buche per pali all'inferno del recinto stesso potrebbero essere 
state fondazioni per case d'abì lozione; le buche contenevano i resti di 



banchetti e della lavorazione della selce. Dopo il frollo dell'argine 
originario, su parte del recinto fu rum» costruite opere di fortificazio- 
ne. H fossato delle opere dì difesa esterne primarie ha fumilo materia- 
le per il terrapieno principale (in verde}, a cui si accedeva attraverso 
l'ingresso per la porta in basso a sinistra. Dai fossati secondari deri- 
va, invece* il materiale per i terrapieni più piccoli (in color prugna). 



68 



A FASE 7 



ORIZZONTE DELLE ZOLLE 
ERBOSE (1960) 




~ 8»: 




Nella sentine trasversale del fossato attorno al recinto principale sì osservano si rati eh e hanno 
contribuito a determinare la cronologia degli eventi svoltisi nel sito durante il Neolitico. Nella 
fase 1 si eh he lo scavo del fossato stesso, cosicché in esso non compaiono resti coevi. Il chalk 
estratto fu usato per costruire il muro del recìnto. Fra i depositi della fase 2 furono trovate ossa 
umane e quelle che sembrerebbero offerte rituali, costituite da oggetti in corno dì cervo nobile, 
suppellettili in pietra e vasellame. Lo strato della fase 3 è costituito dal muro del recinto 
principale, crollalo nel fossato a II' epoca in cui il recinto non fu più usato. Lo strato della fase 5 
riflette il nuovo scavo del fossato effettuato con intenti ri tu al isti ci e la deposizione dì nuove 
offerte. Nella fase 6 sul fossato originario fu costruito un cumulo {cairn ) dì selce. La fase 7 
mostra un accumulo di suolo agricolo posteriore al Neolitico. (Nel punto in cui Tu eseguita 
questa sezione non erano presenti depositi della fase 4, che assomigliano a quelli della fase 5,) 



sìone con pratiche rituali. Lavori di sca- 
vo nel fossato attorno al recinto princi- 
pale sono valsi a confermare che veniva- 
no eseguiti effettivamente dei rituali e 
hanno anche fornito informazioni sulla 
loro natura. Il fossato fu scavato in orì- 
gine per ricavarne materiali per la co- 
struzione del terrapieno attorno all'arca 
recintata. I resti del terrapieno conser- 
vano ben poco della passata grandiosità 
e inducono a pensare che esso fosse for- 
mato da una struttura di sostegno in le- 
gno, una sorta di lungo cassone, riempi- 
lo con una massa di chalk tratto dai fos- 
sato che dava luogo a una barriera im- 
ponente ma in definitiva instabile. 

Una volta ultimato il terrapieno, sul 
fondo del fossato, a mano a mano che 
materiali dilavati dai iati della depressio- 
ne venivano trasportati in basso, andò 
accumulandosi un limo pastoso. In molti 
punti lungo la circonferenza del fossato il 
limo che si era ammassato sul fondo sem- 
bra esseme stato asportato con cura. Il 
materiale raccolto in questo modo fu 
probabilmente usato per la manutenzio- 
ne e la riparazione del terrapieno. 

T a rimozione del limo primario da parte 
-^— ' dei costruttori ci ha privati di informa- 
zioni archeologiche sull'uso iniziale dell'a- 
rea recintata. Dopo l'asportazione del 
limo, però, fu deposta sul fondo del fossato 
una raccolta di oggetti di carattere verosi- 
milmente rituale. I depositi che erano 
probabilmente offerte e che, in origine, 
potrebbero essere stati contenuti in sacchi 
dì pelle, comprendono ossa umane* ossa 
animali, utensili in selce e vasellame. 

Oltre a questi oggetti, sul fondo del 
fossato ne furono collocati altri, connessi 
in modo più chiaro con l'inumazione di 



salme. Una serie di crani fu disposta a 
intervalli irregolari, con il Iato destro ri- 
volto verso l'alto. Negli strati che costitui- 
scono il fondo del fossato è dispersa an- 
che una considerevole quantità di ossa 
umane infrante. Fra questa massa di os- 
sa, sopravvivono intatte due sepolture di 
bambini sotto cumuli di selce ben costruiti. 

Forse più significativi sono il tronco e i 
femori di un giovane di circa 1 5 anni la 
cui salma era rimasta chiaramente espo- 
sta per qualche tempo nel fossato in uno 
stato piuttosto avanzato di decomposi- 
zinne. Quando essa aveva cominciato a 
smembrarsi, alcune sue parti erano forse 
state trascinate sul fondo da cani o altri 
predatori, che ne rosicchiarono estesa- 
mente le ossa. 

L'ipotesi che, a Hambtedon Hill, i corpi 
dei defunti venissero esposti intenzional- 
mente nel recinto principale o nei pressi 
potrebbe aiutare a rispondere a due do- 
mande importanti sulle pratiche funerarie 
del Neolitico. Lo scavo di tumuli lunghi in 
altri siti ha dimostrato che in essi venivano 
definitivamente deposti scheletri o parti di 
scheletri che erano stati lasciati esposti al- 
trove alle intemperie. Ma dove aveva avu- 
to luogo questa esposizione? 

Nelle ossa recuperate dai tumuli si ri^ 
scontra, inoltre, un curioso squilibrio. In 
generale, gli scheletri o parti di scheletri 
comprendono i resti di un numero rela- 
tivamente piccolo di donne e bambini. 
L'assenza di ossa di bambini è partico- 
larmente strana se si considera il tasso di 
mortalità senza dubbio molto elevato fra 
neonati e bambini in epoca preistorica. 
Che cosa ne fu allora delle ossa delle 
donne e dei bambini? 

Un'ipotesi ragionevole suggerita dalle 
nostre scoperte è che i corpi dei membri 



della comunità venissero esposti in cen- 
tri cerimoniali come il recinto prindpaje 
di Hambledon Hill. Dopo che la carne si 
era distaccata dalle ossa, alcuni scheletrì 
venivano probabilmente prescelti per 
l'inumazione nei tumuli lunghi. Se Tipo- 
tesi è esatta, i centri di esposizione, come 
il recinto principale di Hambledon Hill, 
rientravano in un rituale comprendente 
anche la sepoltura nei tumuli lunghi. 

Quest'ipotesi è corroborata in qualche 
misura dal fatto che il 60 per cento della 
grande quantità di ossa trovate nel recin- 
to principale di Hambledon Hill proviene 
da bambini in tenera età. Pare, inoltre, 
che le ossa di individui di sesso maschile 
e di sesso femminile siano presenti in 
proporzioni press' a poco uguali. Tutti i 
membri della comunità o di un sotto- 
gruppo della comunità risultano dunque 
rappresentati. Per istituire una connes- 
sione più diretta fra il recinto principale e 
i tumuli sarebbero però necessarie prove 
tratte dai tumuli lunghi presenti nel sito. 

Prove dirette di questo genere non 
sono ancora disponibili per Hambledon 
Hill. Il tumulo a sud, lungo 20 metri, fu 
distrutto dai bulldozer durante i lavori 
eseguiti per migliorare i pascoli negli 
anni sessanta. I bulldozer ne cancellaro- 
no il rialzo, distruggendo gran parte de- 
gli elementi che sarebbero occorsi per 
verificare l'ipotesi. Le somiglianze fra i 
manufatti rinvenuti nella fossa del tumu- 
lo e quelli venuti alla luce nel fossato del 
recinto principale inducono a pensare 
che, nella mente dei loro costruttori, i 
due monumenti fossero connessi, La 
perdita del rialzo del tumulo ci toglie 
però la possibilità di istituire una con- 
nessione fra ì corpi esposti nel recinto 
principale e quelli sepolti nel tumulo. 

II rialzo del tumulo a nord, che è lungo 
66 metri, è intatto, ma il tumulo non è 
stato ancora scavato. Ciò è dovuto al 
fatto che il tumulo a nord si trova in una 
posizione protetta all'interno del forte 
posteriore, che risale all'Età del ferro. 
Poiché il progetto per Hambledon Hill 
fu. in un certo senso, un'opera di salva- 
taggio, i lavori si concentrarono sui 
monumenti più vulnerabili, rimandando 
lo scavo del tumulo settentrionale, che 
non correva alcun rischio. Il materiale 
trovato nel recinto principale di Ham- 
bledon Hill è certo stimolante, ma una 
soluzione definitiva del problema della 
connessione fra tale recinto e i tumuli 
lunghi richiederà altre ricerche. 

Nella parte finale della storia del 
complesso funerario sulla cima del- 
la collina assunse importanza dominante 
il recinto di Stepleton. Molto più piccolo 
del recinto principale, esso fu ricono- 
sciuto come una struttura dei Neolitico 
per mezzo di ispezioni j"h sìtu, di pro- 
spezioni del suolo e di fotografie aeree. 
È probabile che nelle fasi iniziali della 
costruzione di Hambledon Hill il recìnto 
di Stepleton fosse una struttura piccola, 
semplice, con un ingresso che guardava 
a monte, verso il recinto principale. 



70 




Tre terrapieni costeggiavano il fianco meridionale di Hambledon Hill 
quando la etnia delia collina era occupala da una fortezza al culmine 
del suo splendore. Il terrapieno principale, quello più interno, era 
costituito da una massa dì calcare racchiusa in un'incastellatura di 
legno formai a da 1 000 travi di quercia grosse come pali telegrafiti . A 
ogni ingresso erano presenti due porle che si chiudevano battendo su 



5 METRI 

un grande palo centrale di quercia. Il riparo sopra i terrapieni era 
formato da piante giovani intrecciate. Anche il secondo terrapieno 
aveva una struttura a travi di quercia; il terzo era formato semplice- 
mente da un accumulo di pietrisco calcareo. 1 fossati erano interrimi 
da passaggi sopraelevali, il che fa pensare che non se n isserò per la 
difesa, ma per fornire materiale per la costruzione dei terrapieni. 



Le buche per pali trovate nel recinto 
di Stepleton dimostrano che in quei sito 
sorgevano costruzioni. I reperti sono 
troppo esigui per consentirci di rico- 
struire tali strutture, ma il materiale tro- 
vato nei pressi dell'area induce a pensa- 
re che dovessero essere ab il anioni. Per 
esempio, i depositi più antichi nei fossa- 
to attorno al recinto contengono poche 
ossa umane (e nessun cranio), ma grandi 
quantità di rifiuti connessi alla lavora- 
zione della selce e a quella delle corna dì 
cervo nobile, che nel Neolitico erano ti- 
piche attività domestiche. 

Il recinto di Stepleton non era solo un 
luogo di lavoro: ossa di animali trovale 
in e attorno a esso indicano che vi avve- 
nivano molti festini. Lo stato delle ossa 
dimostra che in questi banchetti si spre- 
cava molta carne e ci sono ben pochi 
indizi del fatto che le ossa venissero fran- 
tumate per farne brodo o stufati di quali- 
tà scadente, Gli abitanti di Stepleton* 
quale che fosse la loro posizione sociale t 
apprezzavano il tipo di cibo più raffinato 
del Neolitico - la carne con osso arrosto - 
e non esitavano a gettar via i tagli meno 



pregiati. LI tipo dei consumi accertati al- 
l'interno del recinto e attorno a esso 
induce a pensare che a Stepleton possa 
esser vissuto un gruppo piccolo e piutto- 
sto privilegiato. E forte la tentazione di 
supporre che esso presiedesse ai com- 
plessi rituali funebri che potrebbero 
aver connesso il recinto principale con i 
due tumuli lunghi. 

Mentre Hambledon Hill era ancora al 
culmine delle sue fortune come centro 
funerario, ebbe inizio un periodo di tra- 
sformazioni che durò probabilmente 
due o tre secoli. L'effetto finale fu quello 
di convertire Hambledon Hill in una 
grande fortezza, ma il processo fu gra- 
duale e rituali di venerazione dei defunti 
furono certamente eseguiti ancora per 
molto tempo nel recinto principale. 

T a prima modificazione difensiva fu in- 
-*— ' trapresa probabilmente dopo che il 
recinto principale, il recìnto di Stepleton 
e i tumuli avevano subito già un certo 
deterioramento. Lungo la parte meri- 
dionale della collina fu costruito un 
importante fossato con rialzi che era 



appoggiato a un terrapieno rafforzato da 
strutture lignee; la costruzione potrebbe 
aver racchiuso tutti i punti vulnerabili di 
avvicinamento alla sommità della colli- 
na, che ha un'area di circa 60 ettari. 

Ignoriamo quasi tutto del primo siste- 
ma di fortificazioni che cingeva il sito per- 
ché esso fu distrutto poco tempo dopo 
essere stato costruito, durante le opera- 
zioni di ricostruzione e di rafforzamento 
delle difese, I vari segmenti del fossato 
furono approfonditi e un nuovo e più 
grande terrapieno rinforzato da strutture 
in legno fu costruito sui resti del prece- 
dente, Anche questa seconda opera 
avanzata di fortificazione proteggeva i 60 
ettari della sommità della collina. 

Come il terrapieno precedente, anche 
il secondo era irrobustito da una struttu- 
ra di sostegno in legno a forma di lungo 
cassone. Puntelli verticali costituiti da 
travi di quercia grossi come pali telegra- 
fici furono messi in opera a un intervallo 
di un mei n i circa l'uno dall'altro lungo la 
faccia esterna e quella interna del vallo. 
Per fornire stabilità alla struttura, i so- 
stegni furono probabilmente collegati 



72 



fra loro per mezzo dì travi orizzontali 
che passavano attraverso il terrapieno 
stesso. Complessivamente, nella costru- 
zione della struttura in legno potrebbero 
essere state usate circa 10 001) travi di 
quercia. Un progetto di tali dimensioni 
deve aver chiesto molto alle capacità di 
un'antica comunità agricola in termini di 
investimento di risorse di mano d'opera, 

Mentre la sommità della collina veni- 
va trasformata in una fortezza, il centro 
funerario iniziò a essere trascurato. In 
alcuni punti il terrapieno del recinto 
principale e quello del recinto di Steple- 
ton rovinarono nei rispettivi fossati, e lo 
stesso si verificò anche per il più pìccolo 
dei tumuli lunghi. 

Nonostante le loro cattive condizioni, 
il recinto principale e i tumuli conserva- 
rono chiaramente qualcosa della loro 
funzione rituale originaria. L'esame 
degli strati nel fossato del recinto princi- 
pale ha dimostrato che, dopo il crollo del 
terrapieno che circondava quest'area 
recintata, nel pietrisco calcareo che col- 
mava il fossato furono scavate delle 
buche. Riempite di cenere, vasellame, 
ossa umane e animali, esse erano in 
qualche caso abbastanza profonde da 
giungere alla base del fossato originario. 

In seguito, attorno alla circonferenza 
del vecchio fossato, fu scavato un solco 
stretto. In alcune parti del fossato, que- 
sto solco fu scavato e riscavato almeno 
quattro volte, Alcune sezioni del nuovo 
solco furono riempite con pietrisco cal- 
careo, mentre altre furono lasciate sco- 
perte, in modo che vi si accumulasse del 
fango: altre ancora furono colmate da 
ricchi depositi di ossa animali, vasellame 
e utensili di selce. Lo scavo delle buche e 
quello del solco potrebbero essere stati 
atti di venerazione legati ai precedenti 
riti funebri. 

L'ultima fase dell'uso del recinto prin- 
cipale come centro di cerimonie fu la co- 
struzione di un cumulo (cairn) lineare di 
selce sopra il fossato originario. Gli scavi 
eseguiti nel fossato attorno al più piccolo 
dei tumuli lunghi mostrano che anche qui 
prevalse la stessa sequenza di atti rituali: 
nel fossato riempito di pietrisco calcareo 
fu scavato con cura un solco e in seguito 
sul sito del vecchio fossato fu costruito un 
cumulo di selce. Questo parallelismo 
induce a pensare che nella mente dei co- 
struttori i due monumenti fossero ancora 
connessi tra loro quali parti dì un com- 
plesso funerario, benché di importanza 
ormai ridotta. Accanto al recinto di Ste- 
pleton, che - a quanto pare - rimase un'a- 
rea residenziale, non si è trovata traccia di 
tali celebrazioni. 

Mentre il carattere dei monumenti 
all'interno del terrapieno andava 
lentamente mutando, proseguiva il raf- 
forzamento delle opere difensive. Dopo 
la costruzione dell'opera esterna princi- 
pale, la costruzione di altri due terrapie- 
ni consolidò il versante meridionale, più 
vulnerabile, della collina. Il muro più 
esterno era formato da terra non soste- 



nuta da strutture in legno; il terrapieno 
di mezzo era sostenuto da un'incastella- 
tura di legno, a cassone, simile a quella 
che consolidava il muro interno. 

I membri della comunità entravano 
nella fortezza sulla sommità della collina 
attraverso tre grandi ingressi, chiusi da 
portoni di legno. Un ingresso si trovava 
in prossimità del recinto di Stepleton; il 
secondo era sul contrafforte di Hanford, 
fra il recinto di Stepleton e il recinto 
principale; il terzo sul contrafforte 
orientale della collina. Ciascun portone 
comprendeva due battenti, ai lati di un 
grande palo centrale. Una carreggiata 
rivestita da grandi travi di quercia larga 
due metri e mezzo passava attraverso 
l'ingresso che si restringeva leggermente 
verso l'interno del terrapieno. 

Quando la costruzione dei terrapieni 
esterni fu conclusa, la fortezza doveva 
essere visibile a vari chilometri di distan- 
za dalla pianura a ovest, nella valle di 
Blackmore, dove pascolavano le greggi 
della comunità. I fianchi meridionale e 
occidentale della collina erano costeg- 
giati da un terrapieno rinforzato da 
strutture in legno, lungo due chilometri 
e mezzo. Sul ripido fianco occidentale 
era stata scavata una terrazza per fornire 
una base stabile al terrapieno. Sul ver- 
sante meridionale un'opera difensiva 
esterna, composta da vari fossati e lunga 
1200 metri, costituiva un imponente 
ostacolo per eventuali aggressori. 

Centro di comando delle massicce e 
impressionanti fortificazioni potrebbe 
essere stato il recinto sul contrafforte 
settentrionale della collina. Questo re- 
cìnto, che è oggi quasi totalmente can- 
cellato dal posteriore forte dell'Età del 
ferro, fu scoperto durante gli scavi grazie 
a fotografìe aeree combinate ad assidue 
ispezioni sul terreno compiute da Roger 
Palmer, il topografo del progetto. Il re- 
cinto di quattro ettari e mezzo, che si 
trova in una posizione eccellente per la 
difesa, non è stato ancora scavato, 

II completamento delle tre cìnte di 
terrapieni ha fatto di Hambledon Hill 
una grandiosa struttura difensiva. Eppu- 
re la fortificazione era tutf altro che ine- 
spugnabile e, in effetti, la documenta- 
zione archeologica mostra che, dopo un 
attacco a cui segui l'incendio di un lungo 
tratto dell'opera difensiva esterna so- 
stenuta da strutture in legno, il sito ven- 
ne abbandonato. Questo segmento del 
muro, lungo circa 200 metri, si trova sul 
contrafforte sudorientale della collina. 

Difficilmente l'incendio fu accidenta- 
le, dal momento che l'intera struttura 
lignea fu consumata dal fuoco e i pali di 
quercia bruciarono fin nella buca che lì 
conteneva. Per ottenere questo risulta- 
to, si deve pensare che il muro sia stato 
dato deliberatamente alle fiamme con 
torce. Consumate dal fuoco, le strutture 
esterne, le travi e poi il materiale di 
riempimento del terrapieno crollarono 
nel fossato. Gran parte di questo mate- 
riale è a sua volta bruciacchiato, atte- 
stando l'intensità dell'incendio. 



Tanto gli attaccanti quanto ì difensori 
subirono probabilmente delle perdite 
nella lotta attorno alla fortificazione in 
fiamme. Nel pietrisco furono trovati gli 
scheletri intatti di due giovani di sesso 
maschile, le cui condizioni testimoniano 
che furono rapidamente sepolti. Uno 
dei due stava probabilmente portando 
un bambino in tenera età, che rimase 
schiacciato sotto il suo peso quando egli 
cadde. Il giovane fu ucciso a quanto 
pare da una punta di freccia in forma di 
foglia finemente lavorata, che gli pene- 
trò nella cavità toracica. 

Un altro giovane di sesso maschile, 
abbandonato morto sul ciglio del 
fossato davanti all'opera difensiva 
esterna, non fu ricoperto dai detriti del 
terrapieno, Le condizioni delle ossa in- 
dicano che il suo corpo fu ben presto 
scoperto da predatori di ogni sorta. Un 
quarto scheletro, trovato nella parte 
superiore del materiale di riempimento 
del fossato del recinto di Stepleton. po- 
trebbe esservi stato trascinalo e smem- 
brato da cani o lupi. 

Alcune fra le vittime dell'attacco fu- 
rono inumate con maggiori cerimonie. 
Sul lato nord del recinto di Stepleton 
sono state individuate due sepolture 
appositamente allestite, che potrebbero 
essere connesse all'incendio, Un corpo, 
quello di un giovane dì sesso maschile, fu 
deposto con cura in una fossa che venne 
poi riempita con materiale calcareo re- 
cante chiare tracce di fuoco: l'unica fon- 
te che si conosca di questo calcare è il 
terrapieno distrutto nell'attacco. 

Le prove di una fine violenta del com- 
plesso sulla sommità della collina sono 
tutt'altro che ambigue, ma rimangono 
oscure le circostanze storiche dell'attac- 
co. Attorno al 3300 a. C, durante il Neo- 
litico medio, potrebbe esserci stato un 
periodo di disordini sociali, causati da 
fattori economici o ambientali. Vari siti 
del Neolitico furono abbandonati attor- 
no a quest'epoca e alcuni sono cosparsi 
di punte di frecce in forma dì foglia come 
quella trovata a Hambledon Hill. 

Ma anche interrogativi più particolari, 
come quello riguardante la strategia usa- 
ta nell'attacco finale a Hambledon Hill 
sono oggi senza risposta. Pare probabile 
che l'obiettivo centrale dell'attacco fos- 
se il recinto fortificato sul contrafforte 
settentrionale della collina, su cui nel- 
l'Età del ferro fu costruito un forte, Gii 
scheletri e t materiali bruciacchiati tro- 
vati finora sono forse i resti di uno scon- 
tro preliminare. 

Per dire se sia staio veramente così 
occorrerà eseguire scavi sul sito del forte 
sepolto sul contrafforte settentrionale 
della collina. Fortunatamente questo è 
stato acquistato di recente dal British 
Nature Conservaney Council e resterà 
perciò protetto da attività agricole e dì 
sviluppo, Lo scavo del recinto setten- 
trionale fornirà senza dubbio altri indizi 
sulla storia di Hambledon Hill nel Neoli- 
tico e sulla storia del suo abbandono. 



73 



La chimica dell'aglio 
e della cipolla 

Agli insoliti composti solforati che sono responsabili dell'odore dell'aglio 
e che fanno lacrimare chi affetta le cipolle si devono anche le notevoli 
proprietà terapeutiche da lungo tempo attribuite a queste due piante 

di Eric Block 



Il mondo è stato sempre diviso in due: 
da una parte coloro che amano Ta- 
glio e la cipolla, dall'altra coloro 
che li detestano. Nel primo gruppo po- 
tremmo mettere i faraoni egizi, che fu- 
rono sepolti assieme a piccole sculture di 
argilla e legno, raffiguranti bulbi d'aglio 
e di cipolla, cosicché j pasti consumati 
nell'aldilà fossero saporiti. Potremmo 
annoverarvi anche gli ebrei che vaga- 
bondarono per 40 anni nel deseno dei 
Sinai» ricordando con nostalgia *i pesci 
che mangiavamo in abbondanza quando 
eravamo in Egitto, e le zucche e i meloni, 
e ì porri, le cipolle e raglio,* Potremmo 
includervi Sydney Smith, un saggista del 
XIX secolo, la cui Ricetta per V'insalata 
contiene questo consiglio: « Lasciate che 
rimangano nascosti nella pignatta pochi 
atomi di cipolla, appena percepiti: rav- 
viveranno tutto il sapore». 

Nel secondo gruppo, avverso all'aglio 
e alla cipolla, dovremmo annoverare i 
sacerdoti egizi che, secondo Plutarco, 
«si astenevano dal mangiare cipolla 
che,,, non è adatta né per il digiuno né 
per le celebrazioni, perché nel primo 
caso provoca sete, nel secondo lacrime 
in coloro che vi partecipano». Dalla 
stessa parte si situerebbero anche i greci 
antichi, che consideravano volgare l'o- 
dore dell'aglio e della cipolla e proibiva- 
no l'entrata nel tempio di Ctbele a colo- 
ro che ne avevano mangiato. Spregiato- 
re di aglio e cipolla è anche Bottom, un 
personaggio del Sogno di una notte di 
mezza estate, che istruisce la sua compa- 
gnia d'attori a * non mangiare né cipolla 
né aglio, perché dobbiamo avere un alito 
gradevole». 

Nel gruppo degli estimatori di aglio e 
cipolla si possono includere, per motivi 
professionali, anche i chimici: infatti 
sono sempre stati attratti da sostanze 
con odori forti, sapori piccanti ed effetti 
fisiologici marcati. Le loro ricerche, pro- 
trattesi per oltre un secolo, hanno stabi- 



lito che, nel momento in cui si taglia un 
bulbo di cipolla o d'aglio, si libera un 
certo numero di molecole organiche di 
peso molecolare basso, contenenti ato- 
mi di zolfo con legami raramente osser- 
vabili in natura. Queste molecole sono 
molto reattive: si modificano sponta- 
neamente in altri composti organici sol- 
forati, che prendono parte a ulteriori 
trasformazioni. Esse mostrano, inoltre, 
una notevole gamma di effetti biologici, 
di cui la proprietà di produrre lacrima* 
zione è solo un esempio. Alcuni estratti 
di aglio e cipolla sono antibatterici e an- 
ùmicoticL Altri sono antitrombotici, 
cioè impediscono alle piastrine del san- 
gue dì formare trombi, ossia aggregati di 
piastrine e di molecole di fibrina (una 
sostanza proteica): in altri termini, im- 
pediscono al sangue di coagularsi. 

L'aglio e la cipolla sono rappresentan- 
ti della famiglia delle gigliacee: i loro 
nomi botanici sono rispettivamente Ai- 
tium saiivuw tAllium cepa (alliutn forse 
deriva dalla parola celtica ali, che signi- 
fica pungente). Entrambe le specie sono 
tra le più antiche piante coltivate: la loro 
origine, molto probabilmente nell'Asia 
centrale, risale alla preistoria e per mil- 
lenni sono state utilizzate nella medicina 
popolare. Il Codice Ebers, un papiro 
egizio di medicina, datato a) 1550 a,C. 
circa, fornisce più di 800 formule tera- 
peutiche, di cui 22 menzionano l'aglio 
come rimedio efficace nei riguardi di 
numerosi disturbi, tra cui affezioni car- 
diache, dolori di testa, morsicature, infe- 
stazioni di vermi e tumori. 

Gli egizi non furono i soli ad apprez- 
zare aglio e cipolla, fppocrate e Aristo- 
fane raccomandavano Taglio per le 
sue proprietà medicamentose. Plinio il 
Vecchio citava numerose utilizzazioni 
terapeutiche sia per l'uno sia per l'altra. 
Dioscoride, medico presso l'esercito 
romano nel I secolo cLC, prescriveva 
l'aglio come vermifugo. Durante i primi 



giochi olimpici in Grecia, sembra che 
l'aglio venisse consumato dagli atleti 
come slimolante. 

In India l'aglio è stato usato come lo- 
zione antisettica per lavare ferite e ulce- 
re. In Cina il tè di cipolle è stato a lungo 
raccomandato per la febbre, il mal di 
testa, il colera e la dissenteria. La medi- 
cina popolare è spesso intrecciata con la 
leggenda, come nel caso dell'* aceto dei 
quattro ladri» , Si racconta che, nel 1721, 
quattro criminali fossero stati reclutati 
per seppellire i morti durante una terri- 
bile pestilenza a Marsiglia. I quattro 
becchini si rivelarono immuni dalla ma- 
lattia; loro segreto era una bevanda, co- 
stituita da aglio macerato nel vino, che 
divenne immediatamente famosa come 
vinaigre des qttatre voteti rs e ancora oggi 
è reperibile in Francia. 

Assieme a queste prescrizioni popola- 
**■ ri, è emerso più di recente anche un 
attestato scientifico. Secondo una serie 
di ricerche, aglio e cipolla hanno mostra- 
to di possedere una blanda azione anti- 
biotica. Nel 1 858 Pasteur scopri le pro- 
prietà antibatteriche dell'aglio. Più di 
recente, si dice che Albert Sch weitzer, in 
Africa, abbia fatto uso di aglio per il 
trattamento della dissenteria amebica. 
Nelle due guerre mondiali l'aglio fu usa- 
to come antisettico nella prevenzione 
della cancrena. In ricerche di laborato- 
rio si può evidenziare che il suo succo, 
diluito fino a una parte su 125 000, ini- 
bisce la crescita dei batteri dei generi 
Siaphylocaccits, Streptococcus, Vibrio 
(compreso V. choterae) e Bacillus (com- 
presi B. typhosus, B. dysenteriae e B. 
enteritidìs). Inoltre, mostra un largo spet- 
tro di attività contro i funghi zoopatogeni 
e contro molti ceppi di lievito, compresi 
alcuni che provocano la vagì n ite. 

Secondo un altro filone di prove aglio 
e cipolla spiccano per la loro efficacia 
contro le trombosi. Anche in questo 



74 



caso le prove sono vecchie e nuove. In 
Francia, un tempo, ai cavalli affetti da 
trombosi alle zampe si somministravano 
aglio e cipolla, Più dì recente, e cioè nel 
1979, G. S. Sainanì e collaboratori del 
B. J. Medicai College dell'Università di 
Poona, in India, hanno pubblicato ì ri- 
sultati di uno studio epidemiologico 
compiuto su tre popolazioni che consu- 
mavano quantitativi differenti d'aglio e 
cipolla. I soggetti erano vegetariani della 
comunità giainista, che mangiavano 
aglio e cipolla in quantità elevata (alme- 
no 50 grammi di aglio e 600 grammi di 
cipolle alla settimana), oppure in piccole 
quantità (non più di 10 grammi d'aglio e 



200 grammi di cipolle alla settimana), o 
mai per tutta la vita. 

Il gruppo di coloro che si astenevano 
dal consumare aglio e cipolla presentò 
tempi brevi nella coagulazione del san- 
gue. Inoltre, presentò il più elevato li- 
vello plasmatico di fibrinogeno, (Parte 
del processo di coagulazione del sangue 
è dovuta alla trasformazione del fibri- 
nogeno in fibrina.) Già negli studi com- 
piuti negli anni settanta era stato notato 
che gli oli estratti dall'aglio e dalla ci- 
polla inibivano l'aggregazione delle pia- 
strine. Dunque, le credenze popolari 
attorno alle due piante sembravano 
acquistare credito. 



In che modo aglio e cipolla producono i 
loro effetti? La risposta deve essere 
ricercata a livello molecolare, tra le so- 
stanze contenute in essi. Una delle ricer- 
che chimiche di più vecchia data fu com- 
piuta nel 1844 dal chimico tedesco 
Theodor Wertheim ed ebbe come sog- 
getto l'aglio. Wertheim attribuiva l'inte- 
resse nei riguardi di questa pianta «prin- 
cipalmente alla presenza di un corpo 
liquido, contenente zolfo: l'olio d'aglio. 
Tutto ciò che si sa di questa sostanza si 
limila ad alcune semplici constatazioni 
sul prodotto puro, che si ottiene per di- 
stillazione in corrente di vapore dai bul- 
bi di Alliutn SQtivum* Poiché finora i le- 




VAPORE 



100 GRADI CENTIGRADI 



ALCOOL ETILICO 
E ACQUA 



25 GRADI CENTIGRADI 



ALCOOL ETILICO 



< GRADI CENTIGRADI 



Il tipo di composti solforati che si possono eslrarre dall'urlìo dipende 
dalle condizioni d'es-trazione. La tecnica più brutale è la distillazione in 
corrente di vapore, vale a dire la bollitura dell'aglio seguita dall'est ra- 
zione dei composti dal vapore condensato: questo metodo fornisti- il 
diallildisolfuro fin alto). Una tecnica più raffinata consìste neirutilìzza- 
re come solvente l'alcool e ti! ito a temperatura ambiente; si ottiene così 
l'ossido del diallildisolfuro, l'a Ilici na (al centro) f che è la causa del 



DIALLILDISOLFURO 





tipico odore dell'aglio. Con una tecnica ancor più delicata, che utilizza 
l'alcool etilico puro a una temperatura al di sotto dello zero, si ottiene 
l'alluna* molecola dotata di isomerìa ottica, ossia con forme chimiche 
aventi strutture speculari rispetto agli atomi di zolfo e di carbonio 
(asterischi). (Sono possibili quattro forme, ma solo una si trova real- 
mente nell'aglio,) Grazie a un enzima, l'alliina sì può trasformare in 
:i Ilici ii li. Di ogni molecola viene indicato solo lo scheletro carboni oso. 



ALDEIDE PROPIONICA 



DIPROPILD1SOLFURO 




VAPORE 



100 GRADI CENTIGRADI 



FREON E ACQUA 



GRADI CENTIGRADI 



ALCOOL ETILICO 



< GRADI CENTIGRADI 

Anche i composti solforati estratti dalla cipolla dipendono dalle con- 
dizioni d'estrazione. La distillazione- in corrente di vapore fornisce 
l'aldeide propionica e il dipropildisolfuro (iti alto). Grazie al Freon, 
un solvente mescolato con acqua a zero gradi centigradi, si ottiene il 
«fattore lacrimogeno» (al centra) r la sostanza che fa lacrimare chi 
affetta una cipolla. Questo fattore si presenta in due forme i so me re. 



H,C 




o + HjCr 



H 

FATTORE 
LACRIMOGENO FATTORE LACRkMOGENO 

{FORMA SIN) (FORMA ANTI) 




PRECURSORE 
LACRIMOGENO 

0" H 



„ )C ^V/ 




designate con i prefissi sin canti: la forma sta è prevalente. Utilizzan- 
do alcool etilico come solvente, a temperature al di sotto dello zero, si 
ottiene infine il «precursore lacrimogeno» (in basso), isomero struttu- 
rale dell'alluna; in altre parole, l'alliina e questo precursore differi- 
scono solamente per la formula di struttura. Nella cipolla un enzi- 
ma trasforma il precursore lacrimogeno nel faltore lacrimogeno. 



75 



COMPLESSO ENZIMA-SUBSTRATO 



SUBSTRATO 
H 




COOH 



n 

PIRODOSSALFOSFATO 






+ ét 



ACIDO SOLFENiCQ 



PIRUVATO 
O 



H,C 




L'enzima allinasi catalizza la trasformazione, nell'aglio e nella cipolla, di 
parecchi composti solforati. Cosa del massimo rilievo, questo enzima. 
nell'aglio, agisce sull'ali lina, mentre nella cipolla agisce sul precursore 
lacrimogeno. Nello schema è raffigurato un caso di catalisi su un substra- 
to generico. (Per esempio, se R è un gruppo allile, C3H5, il substrato è 
l'alluna.) Sul substrato agisce un corattore, il piridossalfosfato, che gli fa 
formare un complesso con l'enzima; il legame comprende l'interazione 



elettrostatica del substrato e di uno ione metallico Of ' ). Un gruppo 
basico (B), presente sull'enzima, sposta poi un protone, idroge nin- 
ne, dal substrato, provocandone la demolizione e liberando un acido 
solfenico, RSOti, con ammoniaca e pimvaln. Una reazione chimica è 
in sostanza una trasformazione di legami chimici al ria temo delle 
molecole, che può ose re miti Idoleggiata dal movimento di coppie di 
elettroni: i movimenti più probabili sono indicati da frecce Un colore). 



gami di zolfo sono stati studiati poco, le 
ri cerche su questa sostanza promettono 
di fornire risu itati utili alla scienza». 

Wertheim utilizzava la tecnica della 
distillazione io corrente di vapore. Met- 
teva Taglio in acqua bollente e il vapore 
che si liberava dal recipiente conteneva 
piccoli quantitativi di olio d'aglio, la cui 
distillazione forniva alcune sostanze 
volatili di odore assai forte. Egli propose 
perciò il nome di «allile» (da A llìutn) per 
il radicale dell'idrocarburo contenuto 
nell'olio e quello óìschwefelallyl (in ita- 
liano «solfoallile») perì composti volati- 
li. Il termine vallile» si usa ancora oggi: 
si riferisce a gruppi aventi formula dì 
struttura CH^^CHCH:, o formula bru- 
ta C3H5. Numerosi composti compren- 
denti un allìlc hanno un odore pungente. 

Nel 1892 un altro ricercatore tedesco, 
il chimico F. W. Semmler, applicò la di- 
stillazione in corrente dì vapore agli 
spicchi d'aglio, producendo uno o due 
grammi di un olio dal pessimo odore 
per ogni chilogrammo di prodotto di par- 
lenza. A sua volta Folio fornì diallìldi- 
solfuro (C6H10S2 o, più precisamen- 
te, CH2=CHCH 2 SSCH 2 CH=CH2), ac^ 
compagnato da minori quantità di dial- 
liltri-e dialliltetrasolfuro (si veda l'illu- 
s trazione in alto a pagina 75). Sempre 
mediante distillazione in corrente di 
vapore, da cinque tonnellate di cipolle 
si otteneva un olio abbastanza diver- 
so, che conteneva l'aldeide propioniea 
(C2H5CHO) assieme a numerosi com- 
posti solforati, come il dipropii disolfuro 
(C6Hi 2 S 2 )< 

Ta successiva fondamentale scoperta 
J- J nella chimica dell'aglio e della cipol- 
la fu fatta nel 1 944 da Chester J . Cavali i- 
to e collaboratori alla Sterling- Winthrop 
Chemical Company di Rensselaer, nello 
stato di New York. Questi ricercatori 
stabilirono che con metodi meno brutali 



della distillazione in corrente di vapore 
si ottenevano sostanze abbastanza di- 
verse. Cavali ito trattò con alcool etilico 
quattro chilogrammi d'aglio a tempera- 
tura ambiente e. alla fine, ottenne sei 
grammi di un olio la cui formula era 
CtìH ioS:0 e che aveva proprietà antibat- 
teriche e antimicotiehe* Era più potente 
della penicillina e della sulfaguanìdina 
nei riguardi di Baciilus typkostiS; negli 
altri casi si rivelava meno efficace della 
penicillina. 

L'olio di Cavallito è t dal punto di vi- 
sta chimico, ossido di diallildisolfuro, la 
principale sostanza che Semmler, mez- 
zo secolo prima, aveva isolato per distil- 
lazione in corrente di vapore. La sua 
formula è CH 2 = CHCH 2 S(0)SCH : CH = 
= CH 2 . il che rende abbastanza difficile 
il suo nome: al li 1-2 *propentioso limato. 
Va detto che la nomenclatura chimica è 
piuttosto complicata, ma assai precisa 
nella caratterizzazione di una molecola. 
Ogni parte di un termine chimico riporta 
la struttura di una sezione dello schele- 
tro carbonioso della molecola oppure 
segnala l'interruzione dello scheletro 
carbonioso da parte di atomi diversi, 
come gli atomi di zolfo, Neirallil-2-pro- 
pentiosolfinato il 2 indica che il doppio 
legame ( - ) tra carbonio e carbonio par- 
te dal secondo atomo di carbonio, nu- 
merato a partire dal punto di attacco 
dello zolfo, Le parentesi che racchiudo- 
no un atomo o un gruppo di atomi indi- 
cano che quell'atomo o quel gruppo di 
atomi non fa parte della catena principa* 
le della molecola. 

Cavallito denominò però questa nuo- 
va sostanza con un nome più semplice: 
allicina. Si tratta di un liquido incolore, 
chimicamente instabile» che giustifica 
appieno l'odore dell'agito, molto più di 
quanto facciano i dia 11 liso! tu ri. Esso è 
oggetto negli Stati Uniti di ben due bre- 
vetti registrati sotto il nome di Cavallito, 



ma il suo impiego in campo clinico come 
agente antibatterico è stato abbandona- 
to dopo un breve periodo di sperimenta- 
zione a causa dell'odore, 

Uallicina è sì responsabile dell'odore 
dell'aglio, ma un bulbo d'aglio non ema- 
na praticamente alcun odore finché non 
viene tagliato o schiacciato. Nel 1948. 
Arthur Sto 11 ed Ewald Seebeck della 
Sandoz a Basilea trovarono la spiega- 
zione dì questo fenomeno: r allicina si 
sviluppa nell'aglio quando un enzima la 
forma a partire da un precursore inodo- 
ro, che Sto 11 e Seebeck hanno identifi- 
cato come ( + )-S-allil-L-cisteinsolfos- 
sido, con formula CH 2 ^CHCH 2 S(0)- 
CH 2 CH(NH 2 )COOH. (Il segno + e la 
lettera L indicano una particolare dispo- 
sizione spaziale per l'atomo di zolfo e 
per quello di carbonio attaccato airazo- 
to,) Evidentemente il taglio o lo schiac- 
ciamento dell'aglio permette all'enzima, 
chiamato alti nasi, dì venire in contatto 
con il precursore dell'allicina. 

Stoll e Seebeck diedero il nome di 
alliina a questo precursore che forma 
circa lo 0,24 per cento del peso di un 
tipico bulbo d'aglio. L'alluna può for- 
marsi allorché un allile e un atomo di 
ossigeno si attaccano all'atomo di zolfo 
nell'amminoacido cisteina, Essa può 
anche essere estratta dall'aglio, ma 
questa operazione deve svolgersi in 
condizioni chimiche assai blande, Per 
successiva cristallizzazione si ottengono 
cristalli aghiformi finissimi, incolori e 
inodori. 

L alluna è una molecola dalle peculiari 
' proprietà: in particolare, è stata la 
prima sostanza naturale a presentare 
isomeria ottica, dovuta a forme specu- 
lari rispetto all'atomo di zolfo e a quello 
di carbonio. L'isomeria ottica si ha 
quando una molecola si presenta in 
forme speculari e la natura favorisce 



76 



una delle due forme. Una soluzione del- 
la sostanza si dimostra perciò in grado di 
far ruotare un fascio di luce polarizzata. 
Nella alliina, sono possibili configura- 
zioni speculari a livello sia dello zolfo sia 
del carbonio. Sotto l'influenza dell'aili- 
nasi, Tallii na si decompone in acido 
2-propensolfenico (si veda nilustrazio- 
ne nella pagina a ponte). L'enzima agi- 
sce preferenzialmente sull'isomero del- 
l'alluna designato con (+), ossia sulla 
forma che provoca la rotazione di un 
fascio di luce polarizzata in senso orario, 
A sua volta l'acido 2-propensolfenico 
dimerizza, ossìa si accoppia con una se- 
conda molecola dello stesso acido per 
dare l'allicina, 

Mentre ìe ricerche sulla chimica del- 
l'aglio erano in pieno svolgimento, sì 
avviarono anche quelle sulla cipolla, Nel 
1961 il biochimico finlandese Anturi 
Virtanen (che aveva ricevuto nel 1945 
il premio Nobel per la chimica, grazie 
alle ricerche sull'allevamento degli ani- 



mali) dimostrò che le cipolle contengo- 
no trans -(+ )-S-( 1 -propenil) -L-cÈstein- 
solfossido, un isomero di posizione del- 
l'aìriina (sì veda l 'illustrazione in basso a 
pagina 75). In altre parole, il contenuto 
chimico è identico a quello della alluna: 
soìo la struttura differisce. (Precisamen- 
te differisce nella posizione di un doppio 
legame che, come indica 1' 1 nel nome del 
composto, parte direttamente dallo zol- 
fo.) Il {rans-( + )-S-(l -propenil)- L-cì- 
stein solfo ssi do è il «precursore lacrimo- 
geno» (PL); l'enzima allinasi, presente 
nella cipolla, lo trasforma nel «fattore 
lacrimogeno # (FL)* ossia in quella so- 
stanza che provoca lacrimazione in chi 
affetta una cipolla, 

La formula bruta del fattore lacrimo- 
geno è C3H0SO. che corrisponde a più di 
50 diverse formule di struttura. Virta- 
nen ipotizzò che la formula di struttura 
fosse CH 3 CH=CHS(0)H e non la for- 
mula alternativa CH^CH = CHS -O- H. 
in cui l'atomo di ossigeno è situato nella 



catena principale carboniosa della mo- 
lecola, (Questi composti sono entrambi 
denominati acido frans- 1 -propensolfe- 
nico.) Nel frattempo W« F. Wilkins. lau- 
reando alla Cornell University, aveva 
proposto la formula di struttura 
CzHsCH^SO, che corrisponde al nome 
propantial-S-ossido. Dieci anni dopo, 
nel 1971, M, H. Brodnitz e J. V, Pasca- 
le della International Flavors and Fra- 
grances Company a Union Beach, nello 
stato del New Jersey, hanno conferma- 
to questa ipotesi. 

Nell'aglio, quindi, una allinasi tra- 
sforma ramina in allicina* il componente 
odoroso dell'aglio. Nella cipolla una al- 
linasi trasforma il precursore lacrimoge- 
no nel fattore lacrimogeno. Queste non 
sono le sole reazioni controllate dai due 
enzimi che. sia nell'aglio sia nella cipol- 
la, agiscono su numerose molecole: par- 
lando in gergo chimico, si dice che questi 
enzimi hanno un certo numero di sub- 
strati. Tutti questi substrati sono costi- 



la STI L M ET ANTÌO SOLFI N ATO 
0~ H 



TIOFORMALDBDE 




O" 









0^ 

S^ CH, 

H 3 C^ S^ 



2.3,5-TRITfAESANO-S-OSSIDO 




+ H& 



La decomposizione del metiJmeianlioso limato* omologo o versione 
semplificata detraili ci na* avviene secondo passaggi che hanno per- 
messo di chiarire le vie metaboliche che portano alPallicma stessa. 
Lungo una via (in atto) il metilmelanliosolfjnato sì decompone in 



acido molansolfenico e in tioformaldeide; poi due molecole dì acido 
mei ansi )l fenico si combinano per rigenerare una molecola di metilmt- 
tantiosolfinato. Lungo un'altra via (in basso) , tre molecole di metilme- 

tamii iso IH nato si condensano per produrre 2 . 3.5- tri fiac sano- 5- ossido. 



77 



ALLIGNA 



TRANS-AJOEHE 





j s 



H : C 



CH ; 



T10ACR0LEINA 



ALLIGNA 



H,0<- 






ACIDO 
2-PRGPENSOLFEN1CO 



ti? 



s 




CH 3 



IS "-Ì S > C \^ CH 



,SOH + 



-> H^c' 



^ 



CH a 



H,C 




I 



COMPOSTO 
SECONDARIO 



CH- 
Z-VtNIL-[4H]-1,3-DITIINA 




^CHj 
3-VlN1L-[4H]-1,2-D.IT!INA 



L:i deca in posizioni' deirallicina procede lungo diverse vie. In una fin 
alto), Ire molecuk- di al lido a si combinano, producendo due molecole 
di una sostanza chiama In ajoene* Il meccanismo è slato suggerito da 
studi compiuti sul mt^ilmelantinsolfinalo* L'ajoene è un ani i tromboti- 
co, efficace almeno quanto l'aspi ri ma nel prevenire l'aggregazione delle 
piastrine e perciò la coagulazione del sangue* Esso si presenta in due 
forme, designate trans e cis; la cis è lievemente meno efficace. Lungo 



un'almi serie di reazioni (in basso) Pali teina sì aut od ecompone, 
formando acido 2-propensolfenico e tioacroleina, entrambe sostanze 
molto reattive. Per aut oloii densa/ione di due molecole di acido 2-pro- 
pensulfenico si rigenera una molecola di allicìna; per aut ocondensazio* 
ne di due molecole di tioacroletna sì formano due lipi di composto 
ciclico mediante un processo chimico, la reazione di Diels-AJder. 
I due nuovi composti ciclici hanno una blanda azione antitrombotica. 



tuiti da sostanze contenenti zolfo, sinte- 
tizzate nell'aglio e netta cipolla mediante 
sequenze chimiche che partono dal- 
l'amminoacido solforato cisterna. Da 
essi, le allinasi formano diversi acidi 
solfenici, RSOH« dove R indica un 
radicale: o l'aitile (CH^CHCH^). o 
TI -propelle (CH ? CH = CH), o il me* 
tile (CH 3 ) o il propile (C3H7). I sotto- 
prodotti delle reazioni sono il p ini va- 
to (CHiC(O)COO") e l'ammoniaca 
(NH 3 ). 

Secondo le più recenti ricerche, le 
reazioni richiedono la partecipazione 
di una sostanza addizionale o cofatto- 
re; il piridossalfosfato. Evidentemente 
cofano re e substrato interagiscono e 
pertanto il substrato viene trasformato 
in una forma attivata, Un gruppo ba- 
sico presente nell'enzima {ossia un 
gruppo che può catturare protoni) ini- 
zia a questo punto la liberazione di 
acido solfenico. Da parte loro gli acidi 
solfenici sono estremamente instabili e 
vanno incontro spontaneamente a ulte- 
riori trasformazioni. 



Te mie ricerche sulla chimica dell'aglio 
*-** e della cipolla hanno avuto inizio nel 
1971 con una più approfondita esplora- 
zione delle proprietà deH'allicina, I miei 
collaboratori e 10, all'Università del 
Missouri a Saint Louis, abbiamo co- 
minciato a studiare la trasformazio- 
ne chimica del metilmetantiosolfinato, 
CI-hS(0)SCH3. Il composto è l'omolo- 
go più semplice deirallicina: da un lato 
presenta un gruppo chimico (S(O)H) 
fondamentale per la chimica deirallici- 
na; dall'altro, lo scheletro carbonioso è 
più semplice di quello deirallicina. As- 
sieme a John O'Connor ho scoperto due 
processi chimici insoliti (si veda l'ili u- 
straziane a pagina 77J, In uno di essi, per 
decomposizione del metilmetantiosolfi- 
nato, si ottiene acido metansolfenico, 
CH3SOH, e tioformaldeide, CH 2 =S. A 
loro volta, due molecole di acido rnetan- 
solfenico, sostanza notevolmente reatti- 
va, si combinano (con la perdita di una 
molecola d'acqua) e si riforma così una 
molecola di metilmetantiosolfinato. Nel 
secondo processo da noi studiato, in- 



vece, il metilmetantiosolfinato subisce 
una reazione di a u tocon de n sazione, 
producendo il 2, 3,5 -iritiaesano-5 -ossi- 
do: CH 3 S(0)CH:SSCH 3 . 

A distanza di dodici anni, la nostra 
ricerca si è rivelata importante nel chia- 
rire La struttura e il modo di formazione 
del fattore antitrombotico dell'aglio, 
Mahendra K. Jain e Roger W. Crecely 
dell'Università del Delaware, in colla- 
borazione con Rafael Apitz-Castro e 
Maria R. Cruz dell'Istituto venezuelano 
di ricerche scientifiche di Caracas, han- 
no prodotto parecchi estratti d'aglio, 
particolarmente attivi nel prevenire 
l'aggregazione delle piastrine del san- 
gue, L'estratto più attivo aveva formula 
bruta OHuSjO. In stretta collabora- 
zione con i nostri colieghi delle universi- 
tà del Delaware e del Venezuela, Sa- 
leem Ahmad e io, alla State University 
of New York ad Aibany, siamo riusciti 
a chiarire la struttura del composto, 
la quale è CH 2 =CHCH 2 S(0}CH2CH = 
CHSSCH 2 CH = CH 2 , ossia 4,5,9-tritia- 
dodeca-1 ,6,1 l-trien-9-ossido. La deno- 



78 



mi nazione da noi data al composto è 
«ajoenea, dalla parola spagnola ajo* 
che significa agito. 

Le mie prime ricerche, compiute sul- 
r autocondensazione del metilmetantio- 
solfinato. hanno suggerito che l'ajoene 
potesse formarsi per autocondensazione 
deirallicina. Abbiamo verificato questa 
ipotesi scaldando semplicemente Talli- 
cina con un miscuglio d'acqua e di un 
solvente organico come l'acetone (si 
veda l'illustrazione nella pagina a fron- 
te}. Negli esperimenti condotti in seguito 
si è potuto dimostrare che l'ajoene come 
fattore antitrombotico è potente almeno 
quanto l'aspirina. Gli studi compiuti da 
gruppi di ricerca delle università del 
Delaware e del Venezuela, in colla- 
borazione con James Catalfamo del 
New York State Department of Health 
ad Albany, fanno pensare, infine, che 
l'ajoene agisca inibendo i recettori del 
fibrinogeno sulle piastrine. Più precisa- 
mente, vi può essere un'interazione dei 
gruppi idrocarburici so If ossigenati e di- 
solf urici del l'ajoene con gruppi com- 
plementari sotto l'aspetto chimico e pre- 
senti sulla superficie delle piastrine, t 
quali potrebbero altrimenti legarsi al 
fibrinogeno. Nuovi esperimenti oggi in 
corso dovrebbero stabilire l'eventuale 
utilità farmacologica dell'ajocne. 

Un secondo aspetto della chimica del 
metilmetantiosolfinato, omologo dei- 
rallicina, si è anche rivelato interessan- 
te. Ho fatto rilevare poc'anzi che la de- 
composizione del metilmetantiosolfina- 
to produce tioform aldeide (CH2=S). 
Sembra che anche per l'allicina abbia 
luogo il medesimo tipo di processo. In 
particolare, la decomposizione deiralli- 
cina produce tioacroleina, CH2=CH- 
CH ■ S, un composto fortemente reatti- 



vo, di colore blu zaffiro, Hans Bock, del- 
l'Università di Francoforte, ha dimo- 
strato che la tioacroleina dimerizza, 
formando due composti ciclici, che ab- 
biamo trovato nell'aglio, nel rapporto in 
cui Bock li avrebbe previsti. La dimeriz- 
zazione procede mediante una reazione 
di Diels-Alder, in cui un'unità tetraato- 
mica di una molecola si combina con 
un'unità biatomica di un'altra molecola 
per formare un anello esaatomico. Le 
reazioni di Diels-Alder sono tra le più 
importanti in chimica organica. 

Per quanto concerne la cipolla, rima- 
neva un problema da risolvere: il fat- 
tore lacrimogeno era stato identificato 
come QH s CH=SO, ossia propantial-S- 
-ossido, ma questa molecola ha due iso- 
meri. Nel tentativo di scoprire quale dei 
due è contenuto nella cipolla, Larry 
Revelle, Robert E. Penn e Ali Bazzi 
hanno studiato il problema nel mio labo- 
ratorio. Per estrarre il fattore lacrimo- 
geno hanno sminuzzato alcune cipolle 
congelate, hanno utilizzato un solvente 
(Freon), hanno prodotto un residuo 
eliminando il solvente a —78 gradi cen- 
tigradi e hanno distillato il residuo sotto 
vuoto a -20 gradi centigradi. Mediante 
due tecniche spettroscopiche molecolari 
indipendenti (la spettroscopia a mi- 
croonde e la spettroscopia a risonanza 
magnetica nucleare) sono poi riusciti a 
stabilirne la struttura. Sì tratta in gran 
parte di j?m-propantiaÈ-S-ossido il cui 
isomero unti è presente solo in traccia. 
Nella formai il gruppo etilico (C2H5), 
a un'estremità della catena carboniosa 
della molecola, è prossimo all'atomo di 
ossigeno presente all'altra estremità 
della catena. 

Un ulteriore problema è stato chiarito 



nel mio laboratorio da due esperimenti . 
Nell'aglio le allinasi producono acidi 
solfenici; nella cipolla producono pro- 
pani ial-S-ossidi distinti dagli acidi solfe- 
nici. In particolare, i propantial-S-ossidi 
appartengono alla classe dì composti 
detti solfine. Se le solfine si formassero 
direttamente, dovrebbero avvenire pro- 
cessi chimici completamente diversi: 
questa conclusione è strana perché un 
enzima, di solito, catalizza un solo tipo di 
reazione, non parecchi. 

Nel primo esperimento, Penn ha sta- 
bilito mediante spettroscopia che la 
struttura dell'acido metansolfenico (il 
più semplice tra gli acidi solfenici) è 
CH3S-O-H e non CH3S(0)H. Poi, in 
un secondo esperimento, Penn e io ab- 
biamo trovato che quando l'acido trans- 
-1-propensolfenico (il fattore lacrimo- 
geno di Virtanen) viene preparato con 
metodi chimici ristruttura rapidamente 
la propria molecola trasformandosi in 
A7«-propantial-S-ossido. Se si ammette 
(basandosi sul primo esperimento) che 
l'acido tra ns -1-propen sol fenico abbia 
struttura ChbCH = CHS-0-H, anzi- 
ché CH 3 CH-CHS(0)H, la ristruttura^ 
zione della molecola può essere dedotta 
facilmente come un trasporto interno 
di idrogeno (si veda f illustrazione in 
questa pagina). Si può concludere per- 
tanto che la fase iniziale nella formazio- 
ne del fattore lacrimogeno della cipolla 
produce effettivamente un acido solfe- 
nico (acido l-propenso!fenico), che in 
seguito si trasforma rapidamente nel 
vero fattore lacrimogeno: il Sf^-propan- 
tial-S-ossido. 

Il fattore lacrimogeno è anch'esso for- 
temente reattivo. In laboratorio può 
essere idrolizzato, fornendo (insieme ad 
altre sostanze) acido solforico. Può di- 



FATTORE 
ACIDO LACRIMOGENO 

1-PROPENSOLFENICO 



H ( C. 



^^b 



CIPOLLA -> 



\5 



|^ H V 




-so z 



CICLOPENTADIENE 



REAZIONE 
DI DIELS-ALDER 



Le vie che portano al fattore lacrimogeno sono complesse* Nell'imme- 
diato precursore det fattore, Taci do l-propensolfenico, il gruppo SOH 
partecipa a un doppio legame* La vicinanza favorisce un trasporto 
interno di idrogeno (frecce tn calore) e, quindi, la formazione del 



fattore. Questo può subire un'idrolisi (in alto)* formando aldeide prò- 
pioni tu, acido solforico e acido solfìdrico; può combinarsi con se stesso* 
cioè dim erizzarsi (al centra), formando un curioso anello a quattro 
atomi; infine, può essere bloccato in una struttura biciciica (in bassa). 



79 



merizzare, formando un dimero nella 
cui strana struttura è inserito un anello a 
quattro atomi, Come Alan Wall e io ab- 
biamo trovato, questo dimero può dar 
luogo a una reazione di Diels-Alder con 
il ciclopentadiene, molecola estrema- 
mente reattiva, contenente una unità a 
quattro atomi» il «cdìenea. La reazione 
blocca la struttura sin del fattore lacri- 
mogeno in una intelaiatura molecolare 
rigida, fatta di due anelli uniti tra loro* 

Le proprietà chimiche del fattore la- 
crimogeno chiariscono l'efficacia dei 
metodi usati in cucina per attenuare il 
disagio di chi deve affettare cipolle. La 
sua volatilità viene ridotta fortemente 
tenendo in frigorifero la cipolla, Inoltre, 
sbucciando la cipolla sotto l'acqua cor- 
rente, esso viene facilmente asportato, 
in quanto è idrosolubile. 

Perché la natura ha incorporato nel- 
l'aglio e nella cipolla questo apparato 
chimico per fabbricare rallicina e il fat- 
tore lacrimogeno? Poiché rallicina è 
antimicotica oltre che antibiotica, po- 
trebbe proteggere la pianta dell'aglio 
dall'eventuale decomposizione del bul- 
bo, provocata da funghi. E poiché il fat- 
tore lacrimogeno della cipolla è irritante 
e ripugnante per taluni animali, potreb- 
be essere anch'esso importante per la 
sopravvivenza della pianta. 

Resta insoluta la questione riguar- 
dante la proprietà antitrombotica di 
alcune molecole presenti nell'aglio* I 
miei collaboratori e io non siamo mai 
riusciti a scoprire ajoene o composti ci- 
clici aniitrom botici nella polvere disi- 
dratata d'aglio; né t'abbiamo trovata 
nelle pillole, negli olii, negli estratti o in 
altri preparati brevettati a base d'aglio. 
La probabile spiegazione è che la fab- 
bricazione della maggior parte di tali 
prodotti comincia con la distillazione 
dell'aglio in corrente di vapore. Per ora* 
gli effetti benefici attribuiti all'aglio si 
possono ottenere nel modo migliore 
facendo uso di aglio fresco. Natural- 
mente, il trattamento autonomo che 
alcune persone praticano su di sé con 
preparati a base di aglio o di cipolla non 
deve sostituire un'accurata diagnosi e 
terapia medica. Basta un minimo di 
buon senso per rendersene conto; nel 
caso questo non bastasse si può ricorre- 
re all'olfatto. L'ingestione di aglio e 
cipolla lascia un ricordo duraturo, per- 
ché i compostua base di zolfo, introdotti 
nel flusso sanguigno, trovano una via 
d'uscita nell'aria espirata e nella traspi- 
razione. Virtù e vizi dell'aglio sono rias- 
sunti in modo mirabile da Sir John Har- 
rington nell'opera The Engiishman's 
Doctor, scritta nel 1609: 

L'aglio ha poi la proprietà 

di salvare dalla morte; 
sopportato, anche se rende 

l'alito disgustoso» 
e non disprezzarlo come taluni, 

convinti che faccia soltanto 

bruciare gli occhi, bere smodatamente 

e maleodorare. 



GENIUS 

VIVERE LA CIVILTÀ ELETTRONICA I I SCOPRIRE LA NUOVA INTELLIGENZA 



SCOPRiRE LA NUOVA INTELLIGENZA 



TROPPI SPRECHI, 
TROPPA POLITICA. 



OXFORD 

LA SCIENZA 
DELLA FOTO DI SCIENZA. 



PER SALVARLA METTIAMOLA 
IN UN COMPUTER. 



COME SI BATTE IL RECORD 
DI PERMANENZA IN ORBITA. 

MANI IN ALTO 

COMPUTER NELLA FONDINA 
PER FAR NUOVA LA POLIZIA. 

POLLINI D'ITALIA 

COME SALVARSI 
DAI RAFFREDDORI. 



HrcIlaGòttsche 



Perché saltano le balene 

Sembra che i grandi balzi fuori dall'acqua dì questi e altri cetacei 
abbiano scopi ben precisi: essi sarebbero correlati con aspetti sociali 
della vita di questi animali, in particolare con la comunicazione 

di Hai Whitehead 




uando i cetacei balzano fuori 
dall'acqua, quasi certamente 
assistiamo a uno dei più 
3inari movimenti che un animale 
possa compiere. Questo « aprirsi un var- 
co» nella superficie dei mare - come lo 
definirono i balenieri del XVIII e del 
XIX secolo - è ancora oggi analizzato dai 
ricercatori che si interessano a questo 
fenomeno. Se si considerano la mole e il 
peso notevoli che un cetaceo deve soli e- 
vare, ci sì può chiedere quali siano le 
ragioni di un simile comportamento, 

I balzi fuori dall'acqua (breach) forni- 
scono Tunica occasione di poter vedere 
un cetaceo per intero e hanno sempre 
ispirato una grande varietà di commenti. 
Così, infatti, nel 1839 J. N. Reynolds 
raccontava per i lettori del aKnicker- 
bocker» le avventure dei balenieri nel 
Pacifico: «Di tanto in tanto un enorme 
corpo informe balza fuori dal suo ele- 
mento, ricadendo con pesante impatto: 
tutta la scena è una ridicola caricatura di 
agilità così come lo sarebbe quella di 
grassi notabili di paese che si cimentas- 
sero in una danza scozzese.» Per Her- 
man Melville, l'autore di Moby Dick, si 
trattava di una manifestazione sublime: 
«emergendo alla massima velocità dagli 
abissi più profondi - scriveva - il capodo- 
glio lancia tutta la propria massa corpo- 
rea nel puro elemento dell'aria, solle- 
vando una montagna di schiuma scintil- 
lante e mostrando dove si trova a distan- 
za di sette miglia o anche più, In quegli 
istanti, le onde infrante e spostate dalla 
sua mole formano sul suo corpo una 
specie di criniera» , 

1 primi balenieri, che andavano alla 
caccia delle loro prede con lente imbar- 
cazioni a vela» avevano molte occasioni 
per osservare le balene che cercavano di 
catturare. Per anni e anni, gli aneddoti 
raccontati da questi uomini fornirono 
molti particolari utili sui balzi fuori dal- 
l'acqua e su altri comportamenti tipici 
delle balene e degli altri cetacei. Le 
loro spiegazioni, che peccavano un poco 
di antropocentrismo. Li interpretavano 



come movimenti legati all'alimentazio- 
ne, alla necessità di stirarsi, al gioco, al 
bisogno di sfuggire all'inseguimento dei 
pesci spada o, semplicemente, come 
«atto di sfida» presumibilmente rivolto 
agli stessi balenieri. 

Nel corso degli ultimissimi anni, le 
osservazioni scientìfiche condotte su 
cetacei in mare aperto hanno cominciato 
a fornire utili dati quantitativi su molti 
aspetti del loro comportamento, com- 
presi i balzi fuori dall'acqua. Roger Pay- 
ne, del World Wildhfe Fund statuniten- 
se, e i suoi collaboratori, dopo lunghi 
studi sulla balena australe (Èubaiaena 
ausiralìs) al largo della penisola argenti- 
na di Valdés, hanno fornito molte spie- 
gazioni. Altri importanti studi sono stati 
condotti sulla balena grigia della Cali- 
fornia (Eschrichtius robustus), al largo 
della Baja California, da Kenneth S, 
Norris dell'Università della California a 
Santa Cruz e una serie di osservazioni, 
come quelle di James D. Darling, del- 
l'Università della California a Santa 
Cruz, di Peter Tyack, della Woods Hole 
Oceanographìc Institutbn, e di altri, è 
stata realizzata sulle megattere (Me- 
gaptera novaeangffae) al largo di Ha- 
waii. Il mio lavoro ha riguardato prin- 
cipalmente le megattere che frequen- 
tano nei mesi estivi I* Atlantico nordoc- 
cidentale al largo di Terranova e du- 
rante i mesi invernali si concentrano, 
invece, nella zona di Silver Bank nelle 
Indie Occidentali. 

T>er capire i balzi fuori dall'acqua dei 
^ cetacei sono indispensabili osserva- 
zioni a lungo termine, poiché il fenomeno 
non è generalizzato ed è raro vedere degli 
esemplari che si abbandonano a questa 
manifestazione. Di conseguenza, sono 
necessari molti anni di studio per poter 
raccogliere un numero appena sufficiente 
di dati. Sotto questo aspetto, la ricerca 
svolta a Silver Bank è stata particolar- 
mente importante. Le megattere prove- 
nienti dall'Atlantico nordoccidentale si 
raccolgono in quella zona nei mesi inver- 



nali per accoppiarsi e partorire, La densi- 
tà della loro popolazione è di circa un 
esemplare per chilometro quadrato, Mol- 
te balzano fuori dall'acqua: durante le 
nostre traversate, che si estendevano per 
circa 200 chilometri da una parte all'altra 
del Silver Bank e che compivamo per 
valutare bene l'entità della popolazione, 
abbiamo osservato balzi fuori dall'acqua 
in circa il 20 per cento dei gruppi da noi 
rilevati (e che erano abitualmente costi- 
tuiti da una a quattro megattere). 

Una meg attera che balza fuori dall'ac- 
qua solleva una biomassa pari a quella di 
485 persone del peso medio di 68 chilo- 
grammi ciascuna. Le megattere più gros- 
se raggiungono lunghezze attorno ai 1 5 
metri e un peso di 33 tonnellate. I loro 
salti e quelli di altri cetacei che li pratica- 
no variano da un'emersione completa 
fuori dall'acqua a un'emersione lenta, in 
cui fuoriesce solo una metà del corpo. In 
oltre un quarto dei balzi effettuati, alme- 
no il 70 per cento del corpo dell'animale 
si proietta nell'aria, mentre più raramen- 
te si può vedere l'animale completo al di 
sopra del pelo dell'acqua. Rispetto alla 
superficie del mare, le megattere balzano 
con tutte le angolazioni possibili fino a un 
massimo di 70 gradi, 

Payne ha osservato i balzi delle balene 
australi dall'alto degli scogli oppure sor- 
volando il mare con piccoli aeroplani. La 
balena nuota orizzontalmente fino ad 
acquistare una sufficiente velocità, poi 
alza la testa e solleva la coda, Questi 
movimenti trasformano la sua quantità 
di moto da orizzontale in verticale e l'a- 
nimale può così uscire dall'acqua. In vir- 
tù della progressione orizzontale esso 
può effettuare un balzo in aria anche in 
acque profonde pochi metri. 

I cetacei eseguono altri movimenti 
che assomigliano superficialmente al 
balzo fuori dall'acqua. In una di queste 
manovre (che gli anglosassoni chiamano 
tunge) l'animale sporge dall'acqua con 
non più del 40 per cento del corpo; il 
movimento può essere eseguito orizzon- 
talmente, verticalmente o coti varie an- 



86 



gol azioni fra questi due estremi; il cor- 
po può essere con il dorso o con il ventre 
rivolti verso l'alto, oppure girato su un 
fianco. Spesso* in queste occasioni, sì 
osserva l'animale che chiude le mascelle 
e inghiotte il plancton o piccoli pesci, 
Pertanto, questo tipo di movimento è 
generalmente associato alFali me nt azio- 
ne. Tuttavia è anche possibile osservare 
delle megattere che lo effettuano per 
superarsi Tun l'altra all'interno di grossi 
gruppi, per esempio quando da due a 
dieci maschi entrano in concorrenza per 
accaparrarsi una femmina del branco, 
Sembra allora che l'emersione dell'ani- 
male dall'acqua sia involontaria e conse- 
guente a manovre compiute sott'acqua. 
Per contro il balzo in aria sembra avere 
sempre uno scopo ben determinato. 

Un altro movimento intenzionale dei 
cetacei al di sopra della superficie é^ì 
mare è quello del delfino, in cui t'animale 
compie una serie di balzi in avanti subo- 
rizzontali (porpofsmg) mentre procede 
rapidamente. Robert W. Blake, dell'U- 
niversità della Columbia Britannica, ha 
calcolato che. con questi balzi, un delfino 



o comunque un cetaceo di piccole di- 
mensioni riduce al minimo la resistenza 
dell'acqua. Egli ha anche dimostrato che 
i grossi cetacei non avrebbero alcuna uti- 
lità a prodursi in questo genere di movi- 
mento e, in effetti, io non ho mai osser- 
vato delle megattere esibirsi in esso, 

I balzi fuori dall'acqua rientrano in due 
categorie. Nei balzi con avvitamento 
(ime breach), il cetaceo esce dall'acqua 
su un fianco, effettua con il corpo una 
torsione, agitando le pinne pettorali, e 
ricade sul dorso. Nell'altra categoria di 
balzi, invece, l'animale rimane con il 
dorso rivolto verso l'alto per tutto il 
tempo in cui emerge dall'acqua e ricade 
con una spanciata (bellyflop). Le megat- 
tere eseguono balzi del primo tipo nel- 
l'80 per cento dei casi e, per l'altro 20 
per cento, balzi con spanciale. È in que- 
sto tipo di balzo che è più facile osserva- 
re una megattera emettere dallo sfiata- 
toio un pennacchio di vapore che con- 
densa. Secondo Payne il balzo con rica- 
duta sul ventre sarebbe per il cetaceo 
altrettanto doloroso che le spanciate che 



gli esseri umani prendono tuffandosi 
male; però è anche vero che lo sfiatatoio 
viene lasciato fuori dall'acqua per un 
tempo maggiore rispetto a quanto acca- 
de nel balzo con avvitamento. Potrebbe 
quindi costituire T alternativa preferita 
quando l'animale desidera respirare 
durante un balzo. 

I balzi, alle volte, vengono eseguiti in 
sequenza. Un cetaceo può compierne a 
intervalli di 40 secondi circa per qualche 
minuto. Fra le megattere dell'Atlantico 
nordoccidentale la lunghezza della se- 
quenza era in media di 9,4 balzi (com- 
prendendo nella media anche i casi di 
balzi singoli). In genere, tutti i balzi 
sembravano effettuati da un unico sog- 
getto, come si è verificato a Silver Bank 
quando abbiamo contato una sequenza 
di 130 balzi in 75 minuti, probabilmente 
eseguita dallo stesso individuo, All'in- 
terno di una sequenza, i balzi sono ten- 
denzialmente tutti dello stesso tipo: o un 
balzo con spanciala dopo l'altro, o un 
balzo con avvitamento e ricaduta sul 
dorso dopo l'altro. Sia fra le megattere 
sia fra le balene australi, un soggetto che 




Questa balenottera ripresa nel Pacifico, presso Hawaii, è una me- 
gattera (Megaptera novaeangliae), che esegue ufi balzo con avvita- 
mento, emergendo dall'acqua su un fianco, effettuando lina torsione 



de) corpo e ricadendo sul dorso. Nell'altro tipo di balzo, molto più raro, il 
cetaceo rimane sempre con LI dorso verso Paltò e ricade sul ventre con 
una spanciata. Circa 1*80 per cento dei balzi osservali è del primo tipo. 



87 



CODA 



PJNNA DORSALE 




MANDIBOLA 
SOLCHI VENTRALI 



La megattera è stata oggetto della maggior parte delle osservazioni che l'autore ha compiuto sui 
balzi fuori dall'acqua dei cetacei, I soggetti da lui studiali insieme con i suoi collaboratori 
trascorrono Testate al largo di Terranova e l'inverno ne li a zona di Silver Bank» nelle Indie 
occidentali. Le interazioni sociali delle megatlere sono probabilmente più importanti nel corso 
dell'inverno, che rappresenta la stagione durante la quale si svolgono gli accoppiamenti e i parti. 



BALZO CON AVVITAMENTO 





BALZO CON SPANCIATA 




Ogni balzo inizia con l'emersione delie megatlere dall'acqua, con tutte le possìbili angolazioni fino 
a 70 gradi rispetto alla superficie del mare. Nel balzo in alto, che è quello con avvitamento, l'animale 
ricade sul dorso; in quello in basso, ricade con una spanciata. Spesso, in questo caso viene emesso 
un pennacchio di vapore che condensa e dà l'impressione che la megattera scelga questo balzo 
(in verità raro) quando vuole respirare; l'esercizio consente, infatti, di mantenere lo sfiatatoio 
fuori dall'acqua per un tempo maggiore rispetto a quanto avviene nel balzo con avvitamento. 



compia dei balzi successivi tende a fare 
emergere una pane sempre più ridotta 
del proprio corpo con il procedere della 
sequenza. Come è facilmente intuìbile. 
t'animale dà l'impressione di stancarsi. 

Quanta energia consuma un cetaceo 
quando esegue un balzo in aria e quanta 
potenza sviluppa quando si stacca dalla 
superfìcie del mare? Utilizzando delle 
misurazioni che ho ricavato da foto- 
grammi che ritraggono dei cetacei che 
compiono balzi in aria, sono riuscito a 
simulare il processo in un piccolo calco- 
latore. In un balzo in cui la maggior par- 
te del corpo emerge dall'acqua con una 
angolazione di circa 35 gradi, una me- 
gattera adulta erompe dalla superficie 
del mare a una velocità di circa 28 chi- 
lometri all'ora. Essendo questa la mas- 
sima velocità raggiungibile da quell'a- 
nimale, un balzo completamente fuori 
dall'acqua rappresenta il massimo sfrut- 
tamento che una megattera fa della pro- 
pria potenza propulsiva. 

L'energia necessaria per effettuare un 
balzo di questo tipo ammonta approssi- 
mativamente a 2500 chilocalorie. Il tas- 
so metabolico di una megattera allo sta- 
to di riposo è di circa 300 000 chilocalo- 
rie al giorno. Quindi l'energìa spesa nel 
corso di un singolo balzo corrisponde a 
poco meno di un centesimo del fabbiso- 
gno calorico minimo giornaliero dell'a- 
nimale: energìa che si traduce in poco 
più di due chilogrammi e mezzo di pesce 
cappellano, un componente importante 
della dieta delle megatlere, che spesso 
ingeriscono pesci di questa specie a por- 
zioni di un quintale alla volta, Pertanto 
un baìzo fuori dall'acqua non costituisce 
un evento particolarmente significativo 
net bilancio energetico giornaliero delle 
megattere. Una sequenza di 20 balzi o 
più consuma però una consistente quan- 
tità di energia e non deve perciò sor- 
prendere che i balzi perdano progressi* 
vamente in potenza. 

T} meno facile spiegare perché un ce- 
4- ' taceo si produca nei balzi fuori dal- 
l'acqua. Lo studio del comportamento 
dei grossi cetacei è stato paragonato al- 
l'astronomia. Infatti, l'osservatore ha 
una visione fuggevole del soggetto, 
spesso a grande distanza; non può fare 
esperimenti; infine, deve continuamen- 
te trarre conclusioni da una messe di 
dati insolitamente inadeguati. In queste 
condizioni, uno dei modi di indagare sul 
ruolo di una attività è di esaminare il 
contesto in cui si svolge. 

Ho trascorso centinaia di ore a bordo 
di pìccole barche a vela seguendo gruppi 
di megattere intente alle loro attività quo- 
tidiane. Questo lavoro, unitamente alle 
osservazioni di Payne e altri, sta fornendo 
un quadro abbastanza chiaro delle circo- 
stanze in cui questi cetacei si producono 
nei balzi, anche se non intende stabilire 
un insieme di regole fisse riguardo al fe- 
nomeno. Nello studio del comportamen- 
to degli animali progrediti, di norma non 
è possibile acquisire queste certezze. La 



90 



miglior cosa che si possa fare è indicare 
alcune tendenze che appaiono statìstica- 
mente significative; queste fanno com- 
prendere che il movimento a balzi è un 
comportamento prevalentemente asso- 




ciato a un'interazione sociale, forse nel- 
la comunicazione o nel gioco (nel caso 
degli esemplari più giovani). 

Spesso le megattere eseguono dei balzi 
quando un gruppo con due o più esem- 




plari si scinde in due gruppi distinti o 
quando due di questi gruppi (a volte co- 
stituiti da singole megattere) si riunisco- 
no in uno solo, Un balzo viene notato 
spesso entro 15 minuti da quando l'ani- 




L'esecuzìone di mi balzo inizia quando la megattera, nuotando più 
o meno parallelamente alla superficie, acquista velocità. Essa solle- 



va la coda e volge la lesta in alto, modificando la quantità di moto 
da orizzontale a verticale. Si tratta di un balzo con avvitamento. 



COLPO PIATTO Dì CODA 
SULL'ACQUA 




COLPO DI PINNA PETTORALE 
SULL'ACQUA 



EMERSIONE DALL'ACQUA PER NON PIÙ 
DEL 40 PER CENTO DEL CORPO 





Fra j movimenti che si collegano ai balzi fuori dall'acqua vi sono la 
percussione della superficie dell'acqua coti un colpo netto da parte 
della coda e il sollevamento di una pinna pettorale che viene poi 
sbattuta sull'acqua. Sembra che si tratti sempre di movimenti con un 



precìso intento. Un movimento chiaramente non intenzionale, che 
risulta da manovre compiute sott'acqua* è quello che fa emergere solo 
una parte del corpo (lattgeh Spesso* dopo una quindicina di minuti 
in cui si assiste ai due movimenti citati* l'animale esegue un balzo. 




Un delfino compie una serie di balzi in avanti suboriz/ontali mentre mul- 
ta a velocità elevata- Per un cetaceo di piccola mole, come questo tursiope, 



tale tipo di movimento riduce al minimo la resistenza dell'acqua. Al con- 
trario, esso non avrebbe particolare efficacia nei cetacei di grossa mole. 



91 



male ha cominciato a percuotere in piatto 
la superficie del mare mediante la coda 
(lobtajiing): il fenomeno è spesso asso- 
ciabile a quel movimento delle pinne pet- 
torali (flippering) che imita il battito delle 
ali degli uccelli, con la pinna che viene 
sollevata e poi sbattuta sull'acqua, e ad 
altre manif est azioni Christopher W. 
Clark, della Rockefeller University, e 
Payne hanno osservato comportamenti 
analoghi fra le balene australi. 

È un fatto indicativo e apparentemen- 
te contraddittorio che le megattere ese- 
guano un minor numero di balzi durante 
Testate, anche se in questa stagione, più 
spesso che in inverno, i gruppi si scindo- 
no e si riformano. Ma, nella stagione 
invernale, le megattere si accoppiano e 
partoriscono e queste interazioni sociali 
sono probabilmente più importanti di 
quelle abituali dell'estate. Per questa 
ragione, la frequenza dei balzi è correla- 
ta non soltanto con il numero dì intera- 
zioni sociali che si realizzano, ma anche 
con l'importanza che queste hanno nella 
vita dell'animale. 

Se si raffrontano le frequenze dei balzi 
nelle diverse specie di cetacei, si rileva 
una ulteriore correlazione di questo tipo 
di movimento con l'attività sociale. Nel- 



SPECIE 



l'analizzare questo aspetto» ho compila- 
to una tabella in cui il rapporto fra massa 
e cubo della lunghezza del corpo espri- 
me la a rotondità» (si tratta, in realtà, più 
che di un corpo rotondo, di un corpo 
meno slanciato)- Sì dovrebbe pensare 
che le specie dal corpo meno slanciato 
siano meno portate ai balzi, essendo sfa- 
vorite sotto l'aspetto idrodinamico; in- 
vece le osservazioni dimostrano che esse 
li praticano con maggiore frequenza. 

Le balene australi, le balene grige e le 
megattere, che sono le tre specie con 
corpo meno slanciato meglio studiate, 
convergono durante la stagione inverna- 
le nelle zone di riproduzione tradiziona- 
li, in cui però ben raramente si nutrono, 
limitandosi a sfruttare Y energìa conte- 
nuta nei loro spessi strati adiposi, In 
queste aree, le interazioni sociali sono 
frequenti, talvolta molto intense, ed è 
proprio in esse che i balzi vengono ese- 
guiti in numero elevato. 

Per contro, non sembra che la bale- 
nottera azzurra ( Bahienoptera muscu- 
lus), la balenottera comune (B. physa- 
hts) e la balenottera boreale (B. borea- 
iis) - tutte di corporatura più slanciata - 
frequentino zone di riproduzione de- 
terminate e. durante i mesi invernali. 



RAPPORTO _„_ A 

MASSA/CUBO FREQUENZA 

DELLA LUNGHEZZA DEI BALZI 



MEGATTERA 
(MEGAPTERA NQVAEANGUAE) 

BALENA AUSTRALE 
(EUBALAENA AUSTRALÌS) 



BALENA GRIGIA DELLA CALIFORNIA 
{ESCHRIGHT1US RQ8USTUS) 



CAPODOGLIO (MASCHIO/ FEMMINA) 
(PHYSETER CATODONì 

BALENA DELLA GROENLANDIA 
(BALAENA MYSTICETUS) 



BALENOTTERA DI BRYOE 
(BALAENOPTE RA EDEN!) 

BALENOTTERA MINORE 
(BALAENOPTERA ACUTQROSTRATA) 

BALENOTTERA COMUNE 
(BALAENOPTERA PHYSALUS} 



BALENOTTERA AZZURRA 
(BALAENOPTERA MUSCULUS) 

BALENOTTERA BOREALE 
(BALAENOPTERA BOREALI S) 



15 METRI 



10.6 



16,2 



14,3 



10.7/19,1 



26,7 



6J 



12.3 



4.0 



6.3 



3,6 



MOLTO 
ELEVATA 



ELEVATA 



ELEVATA 



ELEVATA 



BASSA 



BASSA 



MOLTO BASSA 



ESTREMAMENTE 
BASSA 



PRATICAMENTE 
NULLA 



PRATICAMENTE 
NULLA 



[ balzi in aria e la «rotondità» del corpo (in realtà la forma tozza del corpo) sembrano collegati: 
più un cetaceo ha forma poco slanciata più è probabile che sì esibisca in questi esercizi, La 
rotondità è data dal rapporto fra la massa del corpo e il cubo delia sua lunghezza. In linea di 
massima, i soggetti più slanciati si producono con minor frequenza nei nai/j, anche se Isodina- 
mica di questi ultimi sembrerebbe favorirti. La correlazione nasce dal fatto che le specie dalia 
forma meno slanciala si impegnano spesso nel tipo di attività sociale collegata ai balzi, particolar- 
mente quando si riuniscono nelle zone di riproduzione durante i mesi invernali In questo periodo 
non sì nutrono molto, sfruttando per lo più le loro riserve dì grasso* 1 cetacei più slanciati sono, 
invece, molto meno sociali e probabilmente si nutrono senza interruzione per tutto Tanno, 



rimangono disperse. Questa strategia 
riduce prò babìlm etite il toro dispendio 
energetico netto e quindi non richiede 
spessi strati adiposi. Per formare le cop- 
pie ricorrono verosimilmente a richiami 
sonori a bassa frequenza oppure a un 
sistema sociale monogamo. Comunque 
hanno probabilmente scarse interazioni 
sociali strette. 

I sistemi sociali della balena della 
Groenlandia (Baiaena mysticetus), della 
balenottera di Bryde (Balaenoptera ede- 
ni) o della balenottera minore (B. acuto- 
rostrata) non sono molto noti, ma l'im- 
pressione generale di chi ha potuto osser- 
vare da vicino questi cetacei è che, fra 
loro, le specie più socializzanti eseguono 
dei balzi con una maggior frequenza. Il 
capodoglio (Physeter catodon), un ceta- 
ceo odontoceto che si esibisce frequen- 
temente nei balzi in aria, ha un sistema 
sociale particolarmente complesso. 

Quali altri indizi emergono dalle ri* 
cerche sul contesto in cui i cetacei 
compiono i loro balzi? Un risultato inat- 
teso, ottenuto da una serie di studi indi- 
pendenti» è che la frequenza dei balzi è 
direttamente proporzionale alla velocità 
del vento. Non si tratta di un brusco 
aumento durante le burrasche, nel qual 
caso si potrebbe pensare che il cetaceo 
emerga per respirare senza emettere un 
pennacchio di vapore dagli sfiatatoi, ma 
piuttosto di un aumento graduale, coin- 
cidente con velocità del vento del tutto 
moderate. Payne ha ipotizzato che i ce- 
tacei ricorrano ai balzi per una comuni- 
cazione sonora (il tonfo del rientro) 
quando il rumore del vento e delle onde 
attutisce i suoni che essi normalmente 
emettono. 

Payne ha fatto un altra scoperta che lo 
ha indotto a pensare che i balzi abbiano 
una funzione di segnalazione. Egli ha 
notato che* fra le balene australi, essi 
sono un fenomeno che si autopropaga. 
In altri termini, le probabilità che una 
balena cominci a compiere dei balzi in 
aria aumentano quando anche le balene 
vicine li stanno eseguendo. Incuriosito 
da questi dati, ho eseguito una rudi- 
mentale analisi spettrale in alcune delle 
nostre traversate a Silver Bank. 

I risultati ottenuti suggeriscono che le 
megattere che compiono balzi formino 
gruppi estesi con un diametro di circa 10 
chilometri; una megattera aveva più 
probabilità dì effettuare balzi quando si 
trovava a una distanza inferiore ai 10 
chilometri da altre megattere intente 
allo stesso esercìzio. Al culmine della 
stagione i gruppi potevano comprendere 
anche 100 individui, di cui 10 o 15 indi- 
vidui soltanto si esibivano nei balzi. In 
condizioni favorevoli essi sarebbero sta* 
ti in grado di captare il rumore di un 
balzo a pochi chilometri di distanza. 
Questi risultati sembravano corroborare 
l'ipotesi* avanzata da Payne, di una fun- 
zione di segnalazione del balzo. Se le 
altre megattere vedono o odono il rumo- 
re di un balzo, ciò significa che l'ìnfor- 



92 



mazione è stata trasmessa. Il messaggio 
è - se non altro - che un'altra megattera 
del gruppo ha eseguito un balzo. 

Ma i balzi in aria sono un modo effica- 
ce per trasmettere altre forme dì mes- 
saggi? Per gii osservatori in superficie 
essi costituiscono un evento spettacolare 
e assai fragoroso, ma quando una megat* 
tera balza fuori dall'acqua la maggior 
parte delle altre e sommersa. Anche in 
acque limpidissime* il limite di visibilità 
è di circa 50 metri* mentre in condizioni 
favorevoli il suono può propagarsi nel- 
l'acqua di mare a distanze ben più note- 
voli. L'interrogativo che ci si pone è se, 
con questi balzi fuori dall'acqua, una 
megattera possa produrre suoni più for- 
ti* almeno entro alcune fasce di frequen- 
za* di quanto lo consentano i suoi mezzi 
vocali. Non esistono informazioni suffi- 
cienti sulla intensità dei suoni che un 
balzo in aria produce sott'acqua, e non si 
sa neppure se le megattere, durante que- 
sti balzi, cerchino di rendere massime le 
loro emissioni sonore. 

Il balzo fuori dall'acqua potrebbe 
anche rappresentare una manifestazio- 
ne di aggressività, una specie di sfida, 
di dimostrazione di forza, o di rituale 
nel corteggiamento* L'ipotesi de ir ag- 
gressività non è molto fondata. ìn quan- 
to i cetacei sono animali dalla pelle li- 
scia, con molti strati protettivi* e quindi 
è difficile vedere come un balzo po- 
trebbe produrre danni a un immagina- 
rio nemico, a meno che questo non sia 
molto più piccolo del T aggressore. Mi 
risulta che una volta una megattera, 
durante una serie di balzi in aria al largo 
di Terranova* sia caduta sopra un'im- 
barcazione* ma è presumibile che si sia 
trattato di un incidente più che dì una 
manifestazione di aggressività da parte 
di quell'animale. Sono stato per mesi in 
alto mare, su piccole imbarcazioni, ma 
non ho mai avuto l'impressione che le 
migliaia di balzi che ho osservato fosse- 
ro diretti contro di noi. Per di più, per 
dimostrare la propria aggressività. La 
megattera può ricorrere molto più elfi- 
cacemente a un forte colpo di coda. 

Un cetaceo che esegua un balzo com- 
pletamente fuori dall'acqua fa sfoggio 
della sua massima potenza di fronte a 
qualsiasi altro animale congenere, a por- 
tata éì vista o di udito. Di conseguenza, 
questa esibizione potrebbe essere utile 
ai fini del corteggiamento, come sfida o 
come dimostrazione di forza. Una fem- 
mina potrebbe scegliersi il partner ses- 
suale almeno in parte in base alla poten- 
za con cui questo balza fuori dall'acqua o 
alla capacità che esso ha di prolungare la 
manifestazione di forza o sonora per tut- 
ta una sequenza di balzi* Un maschio 
dimostrerebbe così la propria forza e il 
proprio vigore e quindi (indirettamente) 
la propria idoneità genetica. 

Analoghe correlazioni renderebbero 
i balzi ìn aria utili come sfida o come 
dimostrazione di forza diretta contro 
altri maschi concorrenti nel corteggia- 
mento di una determinata femmina. 




13-18 
VELOCITÀ DEL VENTO (MIGLIA ORARIE) 



19-24 



25-31 



È stata riscontrala una correlazione positiva fra i baia compiuti dai cetacei fuori dall'acqua e la 
velocità del vento. Essa viene presentala nel grafici) in base ai dati raccolti dall' autore nel 1978 (in 
nero) e nel 1980 (in cvfart). Roger Payne, del VVWF statunilense, crede che i balzi fuori 
dall'acqua sì intensifichino con l'aumento della velocità del vento* poiché contribuiscono a 
migliorare la coni unica /ione quando il rumore delle onde attenua le normali emissioni vocali. 



Quando maschi di balene australi o di 
megattere sono impegnati in questi epi- 
sodi di competizione, si notano fre- 
quentemente dei balzi in aria. 

Si deve anche prendere in considera- 
zione il concetto, per quanto un poco 
confuso, del gioco, Ouando vediamo un 
animale eseguire un movimento che non 
sia traducibile immediatamente in una 
funzione palese, tendiamo ad affermare 
che si stia trattando di un gioco. Di con- 
seguenza* il concetto è diventato una 
categoria in cui vengono compresi tutti i 
comportamenti che non si è in grado di 
spiegare altrimenti: i balzi fuori dall'ac- 
qua hanno spesso subito questa sorte. Di 
recente il gioco è stato studiato attenta- 
mente da alcuni biologi e studiosi del 
comportamento animale e oggi viene 
generalmente considerato come una va- 
lida (anche se difficilmente definibile) 
categoria comportamentale. Se il com- 
piere balzi fuori dall'acqua è un'attività 
importante per i cetacei e se il modo in 
cui questi balzi vengono eseguiti incide 
sulla loro efficacia* vi sono buone ragio- 
ni d'ordine selettivo per le quali i giova- 
ni, o forse anche gli adulti, debbano pra- 
ticare questo «gioco». 

I balzi in aria presentano gran parte 
delle caratteristiche di altre attività che 
gli studiosi del comportamento animale 
definiscono gioco: sono abituali nei 
contesti sociali* sono spesso praticati 
dai giovani e* in molti casi* non sugge- 
riscono una funzione palese. Alcuni 
ricercatori hanno ipotizzato che* in al- 
tri giovani animali* lo scopo del gioco 
sia quello di contribuire allo sviluppo 
della muscolatura; nei giovani cetacei* i 



balzi in aria potrebbero adempiere a 
questa funzione, 

I balzi più spettacolari sono quelli ef- 
fettuati dagli esemplari più giovani. I 
piccoli delle balene australi, delle balene 
grige o delle megattere cominciano a sal- 
tare fuori dall'acqua poche settimane 
dopo la nascita, con balzi vigorosi, tal- 
volta ripetuti a lungo. À Silver Bank, i 
giovani si esibivano in questo esercizio 
più frequentemente degli adulti, In ef- 
fetti sarebbe piuttosto eccezionale che 
degli adulti si dedicassero regolarmente 
a questa energica attività per gioco. 
Sembra perciò improbabile che il gioco 
sia, fra le balene adulte* la principale 
motivazione dei balzi fuori dall'acqua. 

Insultati che ho riportato e le ipotesi 
che ho discusso non indicano, per i 
balzi fuori da IT acqua, un'unica funzione 
ben determinata, Le prove ricavate sug- 
geriscono che questa attività abbia in 
realtà parecchie funzioni. Sebbene vi 
siano forti correlazioni con la socialità e i 
balzi abbiano caratteristiche distintive 
come segnali di vigore fisico, non è stato 
possibile verificare concretamente né 
un'ipotesi né l'altra* 

La mia valutazione soggettiva è che i 
balzi in aria servano spesso ad accentua- 
re altre comunicazioni visive o acusti- 
che, quasi come un punto esclamativo di 
natura fisica. I cetacei praticano i balzi in 
aria proprio come noi alziamo la voce* 
gesticoliamo o ci agitiamo per dar mag- 
gior risalto a un messaggio. Ma come chi 
origlia, anche gli osservatori umani si 
lasciano di solito sfuggire il significato 
del messaggio e notano unicamente i 
suoi aspetti più appariscenti. 



93 



Le dimensioni nascoste 
dello spazio-tempo 

Lo spazio-tempo, comunemente considerato tetr adimensionale, può 
avere anche sette dimensioni in più, e sono proprio le strutture a undici 
dimensioni che potrebbero portare air unificazione delle forze della natura 

di Daniel Z. Freedman e Peter van Nieuwenhuizen 



Il 29 maggio 1919 l'ombra di un" eclis- 
se totale di Sole si estendeva attra- 
verso l'Atlantico dall'Africa occi- 
dentale al Brasile settentrionale. Spedi- 
zioni organizzate dal governo britannico 
su suggerimento di Sir Arthur Stanley 
Eddington si apprestavano a osservare le 
stelle in prossimità del disco oscurato del 
Sole. Uno degli obiettivi principali di 
Eddington era la verifica di una nuova 
teoria della gravità, formulata da Ein- 
stein quattro anni prima, meglio cono- 
sciuta con il nome di relatività generale, 
In questa teoria Einstein avanzava la 
sorprenderne pretesa intellettuale che la 
geometria dell'universo fosse determi- 
nata dalla materia e dall'energia in esso 
contenute. Più esattamente, secondo la 
relatività generale, lo spazio e il tempo 
sono intimamente connessi in una strut- 
tura mate matica tetradi mension ale eh ia- 
mata spazio-tempo, mentre la forza di 
gravità viene spiegata come un effetto 
della cosiddetta curvatura intrinseca del- 
lo spazio-tempo. 

Gli osservatori de ir eclisse si accinge- 
vano a verificare direttamente uno degli 
effetti previsti nel contesto dello spazio- 
-tempo curvo di Einstein. Secondo la 
relatività generale, il cammino percorso 
dalla luce emessa da stelle in prossimità 
del Sole verrebbe curvato dall'attrazione 
gravitazionale solare, cosicché quando il 
disco solare si avvicina a una stella, que- 
sta dovrebbe apparire spostata dalla sua 
solita posizione celeste. Per verificare la 
teoria fu necessario attendere un'eclisse 
solare perché solo in questa occasione si 
sarebbero potute vedere le stelle vicine 
al Sole. Le osservazioni dell'eclisse rese- 
ro Einstein famoso in tutto il mondo in 
quanto le stelle risultarono spostate 
esattamente delle entità previste e venne 
così confermato senza ombra di dubbio 
il successo del modo einsteiniano di af- 
frontare geometricamente la gravità. 

Anche se la relatività generale ha a 



che fare solo con la geometria a quattro 
dimensioni, le geniali ricerche di Ein- 
stein aprirono la strada ad applicazioni 
sempre più audaci della sua idea fonda- 
mentale, Nello stesso anno in cui il con- 
cello di un universo tetradi mension ale 
veniva confermato dalle osservazioni 
astronomiche. Theodor Franz Eduard 
Kaluza, un giovane studioso e libero do- 
cente, praticamente sconosciuto, dell' U- 
Diversità di Kònigsberg (l'odierna città 
di Kaliningrad, in Unione Sovietica), in- 
viò a Einstein un saggio in cui proponeva 
di aggiungere alle quattro dimensioni 
dello spazio-tempo una quinta dimen- 
sione spaziale. 

Kaluza introduceva una quinta di- 
mensione per poter dare una spiegazio- 
ne unificata dì tutte le forze conosciute 
della natura. A quel tempo si conosce- 
vano solo due forze fondamentali: la 
gravitazione, descritta dalla relatività 
generale, e l'elettromagnetismo, descrit- 
to dalla teoria di James Clerk Maxwell e 
altri. Le due forze sembrano profonda- 
mente differenti; per esempio, tutte le 
particelle sono soggette alla gravità» ma 
solo le particelle cariche sono soggette 
all'elettromagnetismo- Nel 1914 Gun- 
nar Nordstrom dell 1 Università di Hel- 
singfors (l'odierna Helsinki) aveva ten- 
tato di dare una descrizione unificata 
delle due forze apparentemente diverse 
dimostrando che entrambe nascono da 
una forma pentadi mensionale dell'elet- 
tromagnetismo, ma il suo metodo venne 
abbandonato perché non riusciva a spie- 
gare la curvatura della luce nei pressi del 
Sole, Kaluza dimostrò che le due forze 
derivano da una versione pentadi men- 
sionale della relatività generale. 

Nell'ultimo decennio molti fisici han- 
no prestato un rinnovato interesse al 
«programma» geometrico proposto da 
Kaluza per l'unificazione delle forze del- 
la natura. Nel programma attuale, però, 
van no considerate si rut iure geometrici! e 



anche con più di cinque dimensioni, per* 
che si conoscono quattro forze anziché 
due. Le due forze in più sono la forza 
nucleare forte, che lega tra loro protoni 
e neutroni all'in terno del nucleo atomi- 
co, e la forza nucleare debole, responsa- 
bile di certi tipi di decadimento radioat- 
tivo. Inoltre, si è oggi accertato che non 
È possibile escludere da qualsiasi schema 
di unificazione gli effetti quantomecca- 
nici. Uno fra i più attraenti sviluppi del 
programma attuale è una versione della 
teoria chiamala supergravità la quale, 
pur ammettendo diverse possibilità ri- 
guardo al numero di dimensioni dello 
spazio-tempo, presenta la massima ele- 
ganza matematica quando viene formu- 
lata in 1 1 dimensioni. 

Perché sono necessarie 1 1 dimensio- 
ni? Questo numero deriva da una curio- 
sa coincidenza matematica, Le teorie 
della supergravità si possono formulare 
con un numero qualsiasi di dimensioni 
dello spazio-tempo fino a 11, mentre 
con 12 o più dimensioni sembra che la 
teoria non sia più valida, D'altra parte, 
il numero minimo di dimensioni nasco- 
ste necessarie per sistemare le tre forze 
non gravitazionali in una teoria come 
quella di Kaluza è sette. Prese insieme 
alle quattro dimensioni dello spazio- 
-tempo comune, le selle dimensioni na- 
scoste porterebbero a un universo a 11 
dimensioni. È importante notare che i 
requisiti matematici della supergravità 
coincidono con i limili fisici imposti dalla 
descrizione delle forze. 

La relatività generale 

La teoria generale della relatività di 
Einstein è il coronamento delle ricerche 
della fisica classica. La supergravità, co- 
me qualsiasi altra teoria che si basi sulle 
idee geometriche di Kaluza per l'unifi- 
cazione delle forze della natura, è essen- 
zialmente un "estensione dei concetti del - 



94 



la relatività generale. Einstein propose 
la relatività generale dopo nove anni di 
ricerche su una teoria della gravitazione: 
la teoria cercata doveva essere in accor- 
do con la sua teoria della relatività ri- 
stretta e inoltre con l 'osservazione spe- 
rimentale, che risaliva a Galileo, secon- 
do la quale, in un campo gravitazionale, 
tutti i corpi seguono la stessa traiettoria, 
Einstein era convinto che, dal momento 
che la traiettoria di un corpo in caduta 
libera non dipende dalla sua massa né 
dalla sua composizione interna, il moto 
del corpo sotto razione della gravità de- 
ve essere correlato alle proprietà dello 
spazio -tempo stesso, Einstein indicò poi 
il modo di interpretare la forza come una 



manifestazione di una proprietà dello 
spazio-tempo chiamata curvatura. 

Per comprendere meglio questa inter- 
pretazione, si consideri la superficie cur- 
va dì una sfera. La superficie è bidimen- 
sionale perché sono necessarie due co- 
ordinate, come la latitudine e la longitu- 
dine, per individuare la posizione di un 
punto. La linea più breve che unisce due 
pumi della sfera e che giace interamente 
sulla superficie è Parco minore del cer- 
chio massimo che passa per i due punti, 
(Questa proprietà geometrica fonda- 
mentale si applica comunemente nella 
scelta delle rotte aeree più convenienti.) 
Si può anche immaginare una superficie 
increspata più complessa della sfera, ma 



pure in questo caso esiste sulla superficie 
una linea di lunghezza minima che uni- 
sce due punti qualsiasi. Questa distanza 
viene chiamata geodetica, 

Nella relatività generale lo spazio- 
-tempo è l'analogo tetradimensionale di 
una superficie increspata perché sono 
necessarie quattro coordinate per indi- 
viduare La posizione di un punto. Un 
punto dello spazio-tempo può essere un 
evento fisico, come la collisione tra due 
particelle, ed esso viene individuato pre- 
cisando dove e quando accade, ossia per 
mezzo delle sue tre coordinale spaziali e 
del suo tempo. Una geodetica nello spa- 
zio-tempo è l'analogo di una geodetica 
su una superficie: è una lìnea nello spa- 




Le sette dimensioni nascoste dell'universo, proposte in una teorìa che 
cerca di unificare le forze della natura, possono essere descritte come 
una piccola struttura compatta quale una sfera associata a ogni punto 
dello spazio e a ogni istante del tempo. Nella teorìa della relatività 
generale di Einstein lo spazio e il tempo sono riuniti in una struttura 
tetradimensionale chiamata spazio-tempo. Le osservazioni astronomi- 
che mostrano che, su grande scala, Io spazio-tempo ha una geometria 
quasi piatta, o euclidea. Il piano raffigurato nell'illustrazione rappre- 
senta la geometria dello spazio-tempo comune; le coordinate lungo 



un asse rappresentano lo spazio, mentre le coordinate lungo il secondo 
asse di ri fé ri me ni o rappresentano il tempo. Le sfere costruite alle 
intersezioni delle coordinate rappresentano le dimensioni nascoste e 
arrotolate che sono postulate nella nuova teorìa. L'illusi razione può 
essere solo allusiva della struttura proposta, e le sfere dovrebbero 
essere immaginate tangenti al pianti in ogni loro punto; inoltre, le sfere 
e il piano danno in realtà orìgine a solo quattro e non ali dimensioni, 
Le quattro dimensioni sono le quattro coordinate delle quali si devono 
fornire i valori per individuare la posizione dì un punto (in colore). 



95 



zio-tempo ira due eventi determinata 
dalla geometria dello spazio-tempo. Se- 
condo la relatività generale, qualsiasi 
particella sulla quale agisce solo la forza 
di gravità segue una geodetica nello spa- 
zio-tempo; la relatività generale spiega 
cosi l'osservazione compiuta da Galileo 
secondo la quale tutti i corpi in caduta 
libera seguono una traiettoria comune. 

La teoria unificata di Kaìuza 

Dal momento che la descrizione delle 
forze unificate da lui fatta aveva la stessa 
impostazione della relatività generale. 
Kaluza inviò il proprio saggio a Einstein 
per un consiglio. A quel tempo era pos- 
sibile pubblicare un saggio soltanto se 
era stato avallato da un fisico ben cono- 
sciuto e inoltre, nella sua posizione di 
libero docente, Kaluza era poco autore- 
vole e poteva disporre unicamente dei 
modesti proventi degli onorari versatigli 
dagli studenti che frequentavano le sue 
lezioni. Einstein, che aveva ancrTegli ini- 
ziato la carriera come libero docente, fu 
subito affascinato dal saggio, ma in una 
serie di lettere inviate a Kaluza gli sug- 
geriva di approfondire ulteriormente al- 
cuni problemi delta teoria prima della 
pubblicazione. Due anni e mezzo più 
tardi Einstein cambiò idea e inviò a 
Kaluza una cartolina nella quale gli co- 
municava l'intenzione di appoggiare la 
pubblicazione. L'articolo apparve nel 
1 *-)2 1 nella rivista * Sitzungsberichte dcr 
Berliner Àkademie* con il tìtolo lì prò- 
blenni deli unificazione in fisica. 



La ricerca di una descrizione unificata 
dì tutti i fenomeni fisici apparentemente 
non correlati è sempre stata un tema di 
enorme importanza nell'indagine scien- 
tifica, Come abbiamo già detto, nella 
teoria di Kaluza forze comuni come la 
gravità e l'elettromagnetismo derivano 
da una versione pentadi mensionale della 
relatività generale. Per spiegare il fatto 
che le cinque dimensioni non si osserva- 
no, Kaluza ipotizzò semplicemente che 
grandezze quali la curvatura non dipen- 
dono dalla quinta coordinata; le parti- 
celle seguono la geodetica nelle cinque 
dimensioni, ma le loro traiettorie appa- 
iono a quattro dimensioni come quelle 
di particelle soggette all'azione combi- 
nata della forza di gravità e dell'elettro- 
magnetismo. 

Secondo il punto di vista attuate la più 
grave mancanza della teoria di Kaluza è 
che la gravità e l'elettromagnetismo non 
sono le sole forze fondamentali della na- 
tura. Nel 1919 la forza nucleare forte e 
la forza nucleare debole non erano an- 
cora state scoperte perché il loro breve 
raggio d'azione è paragonabile al diame- 
tro del nucleo, e non erano ancora stati 
costruiti gli acceleratori capaci di verifi- 
care i processi dinamici a distanze cosi 
brevi. 

All'epoca della pubblicazione dell'ar- 
ticolo di Kaluza la teorìa presentava pe- 
rù un difetto ben più evidente: essa tra- 
scurava una serie di importanti fenomeni 
oggi conosciuti come effetti quantomec- 
canica Kaluza era consapevole ili questa 
mancanza e al termine del suo saggio 




La geodetica è la distanza più breve che intercorro tra duo punti che siano situati sulla superfìcie 
di una sfera. Su un mappamondo la geodetica è Parco minore del cerchio massimo che passa 
per quei due punti. È possibile determinarla mediante una cordicella tosa ira i due punti. 



scrisse: «Ogni (teoria classica, o deter- 
ministica e meccanicistica] che pretende 
di avere validità universale è minacciata 
dalla sfinge della fisica moderna, la teo- 
ria quantistica.» Ciononostante, nella 
teoria di Kaluza come nella teoria della 
relatività generale di Einstein è data per 
scontata una visione classica del mondo. 

Secondo la concezione classica, tutti 
gli oggetti fisici - e con essi le più piccole 
particelle elementari - si comportano co- 
me proiettili sottoposti a una o più forze 
fondamentali, Per fenomeni di grande 
scala la concezione classica va abbastan- 
za bene, mentre è del tutto incapace di 
spiegare processi in scala atomica. Nel 
1919 erano già stati evidenziati molti dei 
difetti presenti nelle spiegazioni classi- 
che dei processi atomici e sub a tornici. 

Storicamente, La più grave carenza 
della fisica classica era la sua incapacità 
dì spiegare lo spettro atomico. Gli espe- 
rimenti dimostrano che gli atomi emet- 
tono luce in righe spettrali diserete, cor- 
rispondenti a un insieme di frequenze, o 
colori, che sono caratteristiche delPato- 
mo emittente. Tuttavia, secondo la teo- 
ria classica, un atomo dovrebbe emette- 
re luce di tutte le frequenze in quanto gli 
elettroni orbitanti di un atomo devono 
m uoversi continuamente con moto a spi- 
rale verso il nucleo. Inoltre, nella descri- 
zione classica il percorso a spirale degli 
elettroni condurrebbe rapidamente al 
collasso dell'atomo e quindi la materia 
come noi la conosciamo non potrebbe 
esistere. 

La necessità di risolvere questo e- 
nigma e altre difficoltà portarono allo 
sviluppo della meccanica quantistica, 
nella quale si abbandona il rigoroso de- 
tenni ni smo della teoria classica e le 
traiettorie a spirale degli elettroni attor- 
no al nucleo vengono quindi sostituite da 
configurazioni ondulatorie nello spazio- 
-tempo: l'intensità di una configurazione 
ondulatoria determina La probabilità di 
trovare un elettrone in un particolare 
punto. 

Onde stazionarie corrispondono a sta- 
ti di moto a Lunga vita dell'elettrone e 
ogni stato di moto possiede un'energia 
caratteristica. La Luce viene emessa a 
frequenze discrete che corrispondono a 
righe spettrali discrete quando L'elettro- 
ne salta improvvisamente da uno stato a 
un altro. Lo stato di moto corrisponden- 
te alla minima energia permessa è stabile 
e quindi nella teoria quantistica gli atomi 
non col lassa no come avverrebbe in base 
alla teori a classica. Le configurazioni on- 
dulatorie degli elettroni sono soluzioni 
di un'equazione differenziale formulata 
da Erwin Schrodmger, nella quale com- 
paiono come variabili sia il tempo sia le 
tre coordinate spaziali. 

La quinta dimensione 

Nel 1926. ancora agli albori dell'era 
quantistica, il fisico svedese Oskar Klein 
si prefisse di stabilire se La meccanica 
quantistica era o meno compatibile con 



96 




La curvatura (lolla luce Mollare in prossimità del Sole è un effetto previsto dalla teoria della 
relatività generale di Einstein. Secondo la teoria, nelle vicinanze del Sole la Mnitlura geometrica 
dello spazio-tempo viene curvata dalla massa solare nel modo suggerito dall'insieme di assi 
coordinati curvi rappresentali nel grafico. La luce deve seguire una geodetica nello spa/iu* 
-tempo, quindi le linee di vista verso le stelle vengono curvale quando queste sono vicine al 
disco solare (in colore). Se sì osservano durante un'eclisse, le stelle appaiono spostate dal Sole, 
Le linee in nero tratteggiale indicano le linee di vista quando il Sole non è molto vicino. 



la teoria pentadimensionale di Kaluza* 
Klein formulò una versione dell'equa- 
zione di Sehròdingercon cinque anziché 
quattro variabili e dimostrò che le solu- 
zioni si possono interpretare come onde 
che si muovono in campi gravitazionali 
ed elettromagnetici dello spazio-tempo 
comune a quattro dimensioni. (Nella 
meccanica quantistica si interpretano te 
onde anche come particelle.) Oggi si 
chiamano di Kaluza-Klein tutte le teorie 
che tentano, secando uno schema quan- 
tomcccanico» di unificare le forze fonda- 
mentali della natura in uno spazio-tem- 
po con più di quattro dimensioni. 

Nei saggi originali di Kaluza e di Klein 
non è chiaro se la quinta dimensione va 
intesa come una realtà fìsica o semplice- 
mente come un artificio matematico ne- 
cessario per ricavare la gravità e l'elet- 
tromagnetismo in modo coerente, L'in- 
troduzione della meccanica quantistica 
suggerisce però risposte attendìbili a nu- 
merosi e importanti interrogativi sulla 
realtà fisica di una dimensione in più. In 
che senso la nuova dimensione potrebbe 
essere una realtà fisica? Perché non e 
staio scoperto finora un aspetto cosi fon- 
damentale dell'universo? Come si po- 
trebbe scoprire sperimentalmente la di- 
mensione in più? 

Per cominciare a rispondere, si consi- 
deri una retta di lunghezza indefinita a 
ogni punto della quale sia associato un 
piccolo cerchio. Se si costruisce effetti- 
vamente un cerchio in ogni punto della 
retta, la struttura risultante è un cilindro 
di lunghezza indefinita: si può dire che 
la retta e il cerchio unidimensionali ge- 
nerano il cilindro bidimensionale. 



In modo analogo si può generare una 
struttura tetradi mcnsion ale dal piano bi- 
dimensionale e dalla sfera bidimensio- 
nale. Si può pensare la nuova struttura 
come un piano in ogni punto del quale 
viene costruita una sfera: è tetradi me n- 
sionale perché sono necessarie due co- 
ordinate per individuare la posizione di 
un punto nel piano e altre due per indi- 
viduare un punto sulla sfera (ji veda V il- 
lustrazione a pagina 95), 

La retta e il piano dei due esempi pre- 
cedenti rappresentano la geometri a qua- 
si piatta dello spazio-tempo tetradimcn- 
sionale nel quale viviamo, mentre il cer- 
chio e la superfìcie sferica rappresentano 
la dimensione o le dimensioni in più di 
uno spazio-tempo con un maggior nu- 
mero di dimensioni. Uno spazio- tempo 
pentadimensionale si può intendere co- 
me la struttura generata da un cerchio e 
da un comune spazio-tempo tetradi- 
mensionale; una possibile struttura di 
uno spazio-tempo esadimcnsionale si 
genera con lo spazio-tempo comune e 
con la superficie di una sfera. In queste 
strutture a ogni punto dello spazio e a 
ogni istante dì tempo sono associati un 
cerchio o una sfera. 

Ora siamo in grado di spiegare come, 
nella teoria di Kaluza, la quinta dimen- 
sione dello spazio -tempo possa essere 
reale, anche se fino a oggi non è ancora 
stata scoperta. Un concetto fondamen- 
tale della meccanica quantistica è il prin- 
cipio di indeterminazione di Werner 
Heisenberg. Qualsiasi particella può es- 
sere interpretata come un pacchetto dì 
onde diffuse in una certa regione di spa- 
zio e, in base al principio di indetermi- 



nazione, le dimensioni minime della re- 
gione dipendono da 1 Ve n ergi a della par- 
ticella: maggiore è l'energia della parti- 
cella, minori sono le dimensioni minime 
della regione. 

Per rivelare una piccola struttura spa- 
ziale si deve usare un microscopio, ossia 
uno strumento che «illumina» una strut- 
tura con fotoni di luce, elettroni o fasci 
di qualche altra particella. La risoluzione 
del microscopio è la dimensione minima 
della regione che si può illuminare, e 
quindi, secondo il principio di indeter- 
minazione, la risoluzione dipende dall'e- 
nergia delle particelle del fascio inciden- 
te; ne risulta che per poter osservare 
strutture sempre più piccole sono neces- 
sarie particelle di energia sempre più 
elevata- 

Supponiamo che la quinta dimensione 
sia arrotolata in un cerchio estremamen- 
te piccolo: per rivelarlo, l'energia delle 
particelle che lo illuminano dovrebbe es- 
sere sufficientemente elevata; particelle 
con energia troppo bassa finirebbero in- 
fatti con il distribuirsi uniformemente sul 
cerchiti ed esso non potrebbe essere ri- 
velato, I più potenti acceleratori attuali 
producono particelle la cui energia è suf- 
ficientemente alta da risolvere strutture 
con un diametro di anche LtìH* centi- 
metri; se nella quinta dimensione il cer- 
chio è più piccolo di IO -16 centimetri, 
potrebbe non essere stato finora risolto. 

Particelle « massicce» 

Esiste un modo più indiretto con cui 
si potrebbe dedurre resistenza di una 
quinta dimensione spaziale, Proprio co- 
me nell'atomo le configurazioni ondula- 
torie stazionarie corrispondono a stati di 
moto a lunga vita degli elettroni orbitan- 
ti, cosi le onde stazionarie sul cerchio 
della quinta dimensione corrispondono 
a particelle che si potrebbero osservare 
in laboratorio. Le configurazioni ondu- 
latorie stazionarie devono adattarsi esat- 
tamente sulla circonferenza del cerchio: 
perciò o Tonda deve avere un'ampiezza 
costante oppure l'intero cerchio deve 
contenere un numero intero di oscilla- 
zioni: una, due tre oscillazioni, e cosi 
via {si veda VUlustrazicne a pagina 101 ). 

La massa di ogni particella osservabile 
dipende dalla sua lunghezza d'onda, che 
Ò il rapporto tra la circonferenza del cer- 
chio e il numero di osci I lazion i che Tonda 
esegue attorno al cerchio: minore è la 
lunghezza d'onda, maggiore è Tenergia 
dell'onda e più alla ù la massa della par- 
ticella associata. Nella teoria di Kaluza 
le particelle di massa minore sono quelle 
associate a lunghezza d'onda infinita; in 
altre parole, nella quinta dimensione 
l'ampiezza dell'onda è costante e le par- 
ticelle hanno massa nulla. 

Nella teoria la prima particella «mas- 
siccia» e quella la cui lunghezza d'onda 
è uguale alla circonferenza del cerchio; 
la sua massa è inversamente proporzio- 
nate alla circonferenza. La massa della 
seconda particella pesante è doppia della 



98 



prima, perché corrisponde alla lunghez- 
za d'onda contenuta esattamente due 
volte nella circonferenza del cerchio, 
Analogamente, le altre configurazioni 
ondulatorie stazionarie consentite sul 
cerchio generano una serie di particelle 
le cui masse sono multipli interi della 
massa della prima particella pesante. 

Una argomentazione introdotta da 
Klein consente di stimare la massa della 
prima particella pesante. Dal momento 
che la teoria di Kaluza tenta di unificare 
la forza di gravità e l'elettromagnetismo, 
la prima particella pesante ha anche una 
carica elettrica che è inversamente pro- 
porzionale alla circonferenza dei cer- 
chio. D'altra parte, la carica di tutte le 
particelle elementari osservate è un mul- 
tiplo intero della carica dell'elettrone, 
cosicché se si ipotizza che la prima par- 
ticella pesante porti quella carica, se ne 
può calcolare la massa. La risposta è spa- 
ventosamente grande: la massa è IO 16 
volte quella del protone, che è a sua volta 
più pesante di IO 000 batteri. Né gli at- 
tuali né i futuri acceleratori potranno 
mai produrre tali particelle, che però po- 
trebbero essere state prodotte nel big 
bang. Da allora la maggior parte di esse 
dovrebbe essere decaduta, ma alcune 
potrebbero essere ancora rivelabili. 

Dal momento che le particelle massic- 
ce della teoria di Kaluza sono cosi pe- 
santi, la sola particella della teorìa che 
potrebbe corrispondere alle particelle 
attualmente osservate è quella di massa 
nulla. Oggi sappiamo, anche se la cosa 
non venne valutata nella dovuta misura 
all'epoca in cui fu formulata la teoria, 
che effetti quantomeccanici più sottili 
possono portare a una massa finita, non 
nulla, per la particella prevista dalla teo- 
ria, La particella priva di massa della 
teoria di Kaluza e altre particelle con 
massa nulla nelle generalizzazioni della 
teoria possono spiegare, almeno in linea 
di principio, le particelle osservate. 

Anche la circonferenza del cerchio 
nella quinta dimensione che potrebbe 
dare origine alle particelle massicce pre- 
viste dalla teoria è corrispondentemente 
piccola: circa 1 O - * 10 centimetri. Per risol- 
vere una struttura di tali dimensioni con 
uno strumento basato sulle attuali tec- 
nologie sarebbe necessario un accelera- 
tore con un diametro di molti anni-luce, 

Dopo le indagini dì Klein e il succes- 
sivo lavoro di Einstein e di Wolfgang 
Pauli, vi furono pochi progressi nell'idea 
fondamentale di unificazione di Kaluza 
fino alla fine degli anni settanta. Infatti, 
fino ad allora, la maggior parte delle ri- 
cerche sul Tu nifìcazionc delle forze si ba- 
sava su una strategia che non richiedeva 
uno spazio-tempo con un maggior nu- 
mero di dimensioni. La strategìa si può 
rintracciare in una proposta diversa di 
unificazione della gravità e dell'elettro- 
magnetismo avanzata dal matematico 
tedesco Hermann Weylnel 1918. L'idea 
centrale della teoria di Weyl è che la 
descrizione di una forza non viene alte- 
rata da una qualsivoglia modifica delle 



scale di lunghezza dei regoli o delle scale 
temporali degli orologi impiegati come 
strumenti di misura nei vari punti dello 
spazio-tempo. Questo principio è chia- 
mato invarianza di gauge, da gauge 
(strumento di misura), al quale si riferiva 
Weyl. Una teoria di questo tipo è chia- 
mata teoria di campo di gauge o, per 
brevità, teoria di gauge. 

L'unificazione eiettrodebole 

La teoria originaria di Weyl non for- 
niva una corretta interpretazione fisica 
della gravità ed è stata abbandonata, 
Ciononostante il principio di invarianza 
di gauge è diventato il perno delle mo- 
derne teorie sulle particelle elementari. 
Nel 1954 C. N. Yang, della State Uni- 
versity of New York a Stony Brook, e 
Robert L. Mills, della Ohio State Uni- 
versity, svilupparono una classe di teorie 
di gauge, le teorie di gauge non abeli ano. 
che sono un'importante generalizzazio- 
ne de 1 1 a teoria de ITcleit rom agn etismo di 
Maxwell in cui assume un ruolo centrale 
la teorìa matematica dei gruppi di sim- 
metria. Nella teoria dei gruppi si studia- 
no operazioni, quali le rotazioni e le ri- 
flessioni speculari di oggetti solidi, che 
lasciano inalterato l'aspetto degli ogget- 
ti: per esempio. l'aspetto di una sfera 
non cambia dopo una qualsiasi rotazione 
rìgida attorno ai suo centro e il gruppo 
che esprime matematicamente questa 
simmetria è chiamato SU( 2), 



Molti fisici teorici hanno studiato teo- 
rie di gauge non ab e liane. Nel ! 467 Ste- 
ven Wcinberg, attualmente all'Universi- 
tà del Texas ad Austin. Abdus Salam del 
Centro internazionale di fisica teorica di 
Trieste e John CWard, oggi alla M ac- 
quane University del Nuovo Galles del 
Sud, applicarono alcuni importanti con- 
tributi di Peter Higgs dell'Università di 
Edimburgo, di Sheldon Lee Glashow 
della Harvard University e di altri per 
dimostrare che una teoria di gauge non 
abeli una potrebbe unificare la forza elet- 
tromagnetica e la forza nucleare debole. 
Alcune previsioni di questa teoria, chia- 
mata teoria elettrodebole, sono state 
confermate sperimentalmente all'inizio 
degli anni settanta, ma la dimostrazione 
più spettacolare si è avuta nel 1983 al 
cern. l'Organizzazione europea per la 
ri ce rea nude are * allorch é fu ron o s co pc r- 
te tre particelle, i bosoni vettori W*,W~ 
e Z°, aventi esattamente la massa previ- 
sta dalla teoria elettrodebole. 

Il successo della teoria eiettrodebole 
indusse i fisici teorici a proporre un'altra 
teorìa di gauge non abe liana, chiamata 
cromodinamica quantistica, che può de- 
scrivere la forza nucleare forte, In questa 
teoria il protone e il neutrone sono for- 
mati da particelle ancor più elementari, 
i quark, e la forza forte deriva dalle in- 
terazioni dei quark con otto bosoni vet- 
tori chiamati gluoni; sembra che anche 
la cromodinamica quantistica sia confer- 
mata sperimentalmente. 



21 aprile 1919 

L'idea che le grandezze del campo elettrico siano mutilate... ha spesso 
tormentato anche me, L'idea, però, che questo si possa ottenere con un 
mondo cilindrico a cinque dimensioni non mi è mai venuta e sembrerebbe 
anche del tutto nuova- À prima vista mi piace moltissimo.,. 

Se, leggendo la sua dettagliata esposizione, non sorgerà qualche grave 
obiezione, sarò tieto di presentare alfa locale accademia questo suo saggio 
sull'argomento. 



28 aprile 1919 

Ho tetto attentamente il saggio e l'ho trovato davvero interessante. Per ora 
non escludo la possibilità dì appoggiarlo, D'altra parte, devo riconoscere che 
le argomentazioni finora esposte non appaiono sufficientemente convincenti. 
Le suggerirei di leggere quanto segue {magari prima di pubblicare il saggio 
anche se non mi piace di darle consigli in materia). 

Seguendo la sua idea fondamentale, si dovrebbe supporre che le 
geodetiche che sono oblique alle sezioni... dovrebbero fornire le traiettorie di 
particelle elettricamente cariche sotto l'azione simultanea del campo 
gravitazionale e di quello elettrico. Se tei fosse in grado dimostrare che 
questo accada con la precisione garantita dei fa nostre conoscenze empiriche, 
rimarrei pienamente convinto della sua teorìa. 



14 ottobre 1921 

Sto avendo un ripensamento sul fatto dì averla indotta a desistere, due anni 
fa, dalla pubblicazione della sua Idea su un unificazione della gravitazione e 
della elettricità. Il suo modo dì affrontare il problema mi pare in ogni caso più 
valido di quello dì H, [Hermann] Weyl. Se vuole presenterò al più presto il 
saggio all'accademia, purché me io invii. 



Le lettere di Einstein a Theodor Franz Eduurcl Kaluza mostrano come Einstein modificò il 
proprio atteggiamento rispetto alle idee di Kaluza, Le dati" indicano che passarono olire due 
anni prima che Einstein appoggiasse la pubblicazione del saggio di Kaluza, che usci nel 1921. 



99 





li teoria di Kaluza considera la quinta dimensione come un cerchio associato a ogni punto dei 
l Minime spazio-tempo. Se di questo si rappresenta una sola dimensione con una retta, si può 
visualizzare l'analogo della struttura pentadi menzionale proposta da Ralu/a; una retta a ogni 
punto della quale è associato un cerchio, o* in altri. 1 parole, un cilindro. Lina sezione circolare 
trasversale del cilindro rappresenta la struttura dello spa/io-tempo pcntadtmcnsionale vuoto. 



Pur essendo la teoria elettrodebole e 
la crotnodinamica quantistica teorie di 
gauge alquanto differenti, le tre forze da 
esse descrìtte si possono ulteriormente 
unificare in un'unica teoria di gauge non 
abeliana basata su un più ampio gruppo 
matematico dì simmetria. Tali teorie si 
chiamano teorie dì grande unificazione; 
le loro previsioni non sono state ancora 
confermate sperimentalmente, ma i con- 
cetti sono talmente attraenti che molti 
fisici sono convinti che qualche loro ver- 
sione riuscirà a fornire una corretta spie- 
gazione unificata delle forze forte, debo- 
le ed elettromagnetica. 

Quella che manca nelle teorie di gran- 
de unificazione è la forza di gravità ed è 
perciò naturale chiedersi se queste teorie 
possano essere fuse insieme con la gra- 
vitazione come una teoria di Kaluza ~ 
-Klein con un maggior numero di di- 
mensioni. La teoria originale di Kaluza 
richiedeva cinque dimensioni perché es- 
sa comprendeva soltanto un bosone vet- 
tore, cioè il fotone associato alla forza 
elettromagnetica. La forza nucleare de- 
bole richiede i tre bosoni vettori scoperti 
di recente, la forza nucleare forte gli otto 
gluoni, mentre la grande unificazione ri- 
chiede da IO a 500 altri bosoni vettori. 
Il numero esatto di bosoni vettori addi- 
zionali dipende da quale versione della 
teoria di grande unificazione si adotta. 

Le moderne teorie di Kaluza- Klein 

Anche se non esiste una corrispon- 
denza biunivoca tra il numero di bosoni 
vettori necessari e il numero di dimen- 
sioni, è approssimativamente corretto 
affermare che più bosoni vettori richie- 
dono più dimensioni dello spazio-tem- 
po ; di conseguenza 1 ' i nclusione delle for- 
ze forte e debole nello schema teorico di 
Kaluza- Klein richiederebbe uno spazio- 
-tempo con ancor più di cinque dimen- 
sioni. Le dimensioni in più potrebbero 
essere fisicamente reali e tuttavia inos- 
servate a condizione che esse si arroto- 
lino in una «superficie» con un maggior 
numero di dimensioni analoga al cerchio 
della teoria di Kaluza o alla superficie di 
una sfera. 

T recenti tentativi di inserire le forze 
forte e debole in una teorìa di Kaluza - 
- Klein hanno avuto inizio con le ricerche 
di Bryce S. DeWiit dell'Università del 
Texas ad Austin, di Y. M Cho delia 



Università nazionale di Seoul, di Peter 
G. O. Freund e Mark A, Rubin dell'U- 
niversità di Chicago, di Eugene Crem- 
mer. Bernard Julia e dello scomparso 
Joel Scherk dell'Università di Parigi e di 
John H. Schwan/ del California Instia- 
te of Technology. 

Il primo problema che si presenta per 
le moderne teorie di Kaluza-Klein è il 
numero di dimensioni addizionali da in- 
serire. Non essendovi ancora un consen- 
so generale su quale sia la versione cor- 
retta delie teorie di grande unificazione, 
anche il numero di bosoni vettori è in- 
certo. Pertanto il numero di dimensioni 
addizionali in una teoria di Kaluza-Klein 
è sia incerto sia arbitrario. 

Il secondo problema è quello di spie- 
gare le particelle elementari osservate. 
In teorie quantistiche come le teorie di 
gauge non abeli ane vi sono due classi dì 
particelle elementari, cioè i bosoni e i 
fermioni. Abbiamo già parlato dei boso- 
ni, che sono i portatori delle forze fon- 
damentali; per esempio, nella visione 
quantomeccanica, la forza di gravità è 
causata dà uno scambio continuo di bo- 
soni chiamati gravitoni tra due corpi do- 
tati di massa 11 risultato dello scambio 
si manifesta, in laboratorio, come un'at- 
trazione tra i due corpi. Non vi sono 
difficoltà nel ricavare i bosoni da una 
teoria di Kaluza-Klein. Il campo gravi- 
tazionale con un maggior numero di di- 
mensioni può facilmente condurre ai bo- 
soni dei mondo te tra dimensionale, 

I fermioni, che rappresentano la se- 
conda classe dì particelle elementari, 
hanno in fisica un ruolo completamente 
diverso in quanto, a differenza dei boso- 
ni, che trasmettono le forze, costituisco- 
no tutta la materia ponderabile dell'uni- 
verso: l'elettrone, il neutrone, il protone 
e il neutrino sono fermioni, come pure 
sono fermioni gli stessi quark che costi- 
tuiscono il neutrone e il protone- 
Come si possono spiegare i fermioni 
in una teoria di Kaluza-Klein? Non sì 
possono ricavare da un campo gravita* 
zionale bosonico; il solo modo per otte- 
nerli è quello di aggiungere uno o più 
campi fermionici alla teoria con un più 
elevato numero di dimensioni: t campì 
porterebbero in tal caso ai fermioni os- 
servati nelle quattro dimensioni. Il nu- 
mero di campì fermionici inclusi nella 
teoria è arbitrario perché non esiste al- 
cun fondamento teorico su cui basarsi. 



La supergravità 

Sono molti gli studi interessanti su 
teorie di Kaluza-Klein con un numero di 
dimensioni arbitrario dove i campi fer- 
mionici vengono aggi unti * a mano& : tut- 
tavia l'arbitrarietà allontana dalla sem- 
plicità dell'idea originale di Kaluza. È 
auspicabile una teoria nella quale il nu- 
mero di campì fermionici e il numero di 
dimensioni siano fissati naturalmente 
dalla struttura della teoria. 

Unateoriasiffattaèlasupergravità. In 
primo luogo si tratta di un'estensione 
della relatività generale nella quale bo- 
soni e fermioni sono trattati su un piede 
di parità: il gravitone bosonico, per 
esempio, ha un partner fermionico chia- 
mato gravitino. Nella versione della re- 
latività generale di Einstein si possono 
aggiungere o togliere fermioni a volontà, 
mentre nella supergravità esiste un part- 
ner fermionico per ogni bosone; i fer- 
mioni necessari, quindi, per descrivere la 
struttura della materia sono presenti nel- 
la teoria fin dall'inizio. 

Nella supergravità anche il numero di 
dimensioni è fisso. Come abbiamo detto 
sopra, le teorie della supergravità proba- 
bilmente non sono valide per un numero 
di dimensioni superiore ali. Oltre tale 
numero non è possibile trovare ì requisiti 
matematici per una correlazione tra 
campi bosonici e campi fermionici. Inol- 
tre, Edward Witien della Princeton Uni- 
versity ha dimostrato che alle quattro 
dimensioni dello spazio-tempo si devo- 
no aggiungere almeno sette dimensioni 
nascoste per poter includere in uno sche- 
ma di Kaluza-Klein le forze forte, debole 
ed elettromagnetica. Esiste un terzo 
aspetto della supergravità a I l dimen- 
sioni che è circostanziale, ma di alto in- 
teresse teorico; mentre per un numero 
di dimensioni inferiore a 1 1 esistono pa- 
recchie versioni della supergravità mate* 
mattamente distinte, a 1 1 dimensioni la 
teoria e unica. 

Gli «ingredienti^ minimi di una teoria 
di Kaluza-Klein comprendono il campo 
gravitazionale, che da origine ai bosoni, 
e un campo fermionico, che spiega i fer- 
mioni del nostro mondo, Oltre al campo 
gravitazionale, deve esserci almeno un 
altro campo bosonico. il quale funga da 
sorgente che compatta, o arrotola, le di- 
mensioni addizionali nascoste. È note- 
vole che la versione a 1 1 dimensioni del- 
la supergravità contenga esattamente 
tutti e tre questi ingredienti. 

Per il teorico risulta ancor più sor- 
prendente il fatto che il campo bosonico 
in più conduca naturalmente a solo due 
tipi di compattazione. In un tipo sette 
delle 1 1 dimensioni si arrotolano in una 
piccola struttura nascosta: tale compat- 
tazione spiegherebbe perché il numero 
di dimensioni facilmente osservabili nel 
mondo è quattro. L^alternativa è che si 
arrotolino soltanto quattro dimensioni e 
questo scenario condurrebbe a un mon- 
do a sette dimensioni. Può darsi che i 
futuri fisici scopriranno perché si prefe* 



100 



risce un mondo a quattro dimensioni, 
Per mettere a punto una teoria di 
Ka luza- Klein de 1 1 a su p ergra vi t à a l I di- 
mensioni i fisici devono prima risolvere 
le equazioni della supergravità. Molte 
soluzioni danno origine a una struttura 
dello spazio-tempo generata da uno spa- 
zio-tempo tetradimensionale e da una 
piccola superficie chiusa a sette dimen- 
sioni. A questo punto si studia il gruppo 
di simmetria di ciascuna superficie cor- 
rispondente a una soluzione delle equa- 
zioni e tale gruppo determina la teorìa 



di gauge non abeliana che si deve unifi- 
care alla gravità. Su per fi ci chiuse diffe- 
renti hanno gruppi di simmetria diffe- 
renti e ciascuno determina una differen- 
te teoria di grande unificazione delle for- 
ze non gravitazionali. 

La fase finale nello sviluppo di una 
teoria di Kaluza-Klein è Panatisi delle 
configurazioni ondulatorie stazionarie 
complesse, che sono consentite dalle su- 
peraci chiuse e determinano le masse e 
le altre proprietà delle particelle previste 
dalla teoria nel comune spazio-tempo 



tetradimensionale. Ognuna delle super- 
fici a sette dimensioni che appaiono co- 
me soluzione delle equazioni della su- 
pergravità va analizzata in questo modo. 

Risultati teorici 

Nella maggior parte degli studi sono 
stati presi in considerazione due casi. Nel 
primo caso le dimensioni arrotolate for- 
mano la struttura a sette dimensioni più 
semplice e più simmetrica possibile, cioè 
l'analogo a sette dimensioni della sfera. 





Nella teoria di Kaluza, le particelle possono essere associate alla quinta 
dimensione circolare arrotolata* Secondo la meccanica quantistica* 
ogni particella può essere anche considerata come infonda; per questo 
motivo, se qualche multiplo intera della lunghezza d'onda è contenuto 
esattamente nella circonferenza del cerchio nella quinta dimensione* 
la particella corrispondente alla lunghezza d'onda dovrebbe poter 
esistere nel comune spazio- tempo tetradimensionale. Il primo tipo di 
onda che si adatta al cerchio è un'onda di ampiezza costante attorno 
allenterà circonferenza. Se si rappresenta il comune spazio -tempo 
curvo con una lìnea curva, lo spa/io-lcnipo con un maggior numero di 
dimensioni generato dalla linea curva e dalla quinta dimensione cir- 
colare è un cilindro curvi», [/onda di ampiezza costante appare come 
un rigonfiamento del cilindro (in atto); in alto a destra e illustrata la 
sua sezione trasversale* Nella teorìa di Kaluza la particella corrispon- 



dente a questa onda è priva di massa. 11 secondo tipo di onda compie 
un'oscillazione attorno al cerchio e appare anch'essa come un rigon- 
fiamento* mentre la sua sezione trasversale è in realtà un'onda cosi- 
nusoidale tracciata attorno al cerchio come se il cerchio fosse Tasse 
orizzontale di un grafico {ut centro >* La figura chiusa tarmata dall'on- 
da è indicata dalla curva in colore intenso; la figura precede, o ruota, 
attorno al cerchio, e una delle sue successive orientazioni è mostrata 
dalla curva in colore tenue. La teoria di Kaluza prevede che la massa 
della particella associala a quest'onda sia 1 '* voi te quella del proione. 
Il terzo tipo di onda e quelli di ordine superiore dividono il cerchio in 
due, tre o più parti uguali. Il ter/o tipo di onda è un'onda cosinusoidale 
la cui lunghezza d'onda è contenuta esaltamente due volte nel cerchio 
[in busso)- anch'essa precede nel modo indicato e la particella a essa 
associata ha una rilassa doppia di quella associata alla seconda onda, 



101 



In gran parte il lavoro sulla sfera a sette 
dimensioni è stato svolto da Michael J. 
Duff e Christopher N. Pope del firn pe- 
nai College of Science and Technology 
di Londra, da Francois Englert dell' U- 
niversité Libre di Bruxelles, da Bernard 
de Wit dell'Università statale di Utrecht 
e da Hermann Nicolai del cern, 

11 secondo caso è un insieme di super- 
fici aventi il gruppo di simmetria neces- 
sario per le Forze forte, debole ed elet- 
tromagnetica. Queste superfici sono sta- 
te studiate da Witten, da Leonardo Ca- 
stellani, Riccardo D'Auria e Pietro Fré 
de ir Università di Torino e da altri. 

Sfortunatamente i risultati particola- 
reggiati degli studi non prevedono un 
mondo a quattro dimensioni che assomi- 
gli a quello che conosciamo. Vi sono al 
riguardo tre importanti problemi. Il pri- 
mo è quello della chiralità perché riguar- 
da l'orientarne nto destrorso o sinistrorso 
dei fermioni previsto dalla teoria- (La 
chiralità di un fermione è determinata 
dal verso del suo spin quantomeccanico 
rispetto alla direzione del suo moto,) 
Tutte le strutture a 1 1 dimensioni stu- 
diate finora prevedono lo stesso numero 
di neutrini sinistrorsi e destrorsi, mentre 
i neutrini osservati in natura sono sem- 
pre sinistrorsi; pare quindi che non esi- 
stano neutrini destrorsi. 

Il secondo è il problema cosmologico 
e riguarda La curvatura prevista per il 
comune spazio- tempo tetradìmensiona* 
le. Se si avanza la ragionevole ipotesi che 
le sette dimensioni addizionali formino 
una struttura compatta talmente piccola 
da non essere ancora stata osse n'ala, le 
restanti quattro dimensioni dello spazio- 
- tempo acquistano un'elevata curvai u ra . 
Ciò è in contrasto con le osservazioni 
astronomiche, in base alle quali la cur- 
vatura del fu ni verso su grande scala è 
nulla o quasi nulla. Nelle teorie di Kalu- 
za-Klein non basate sulla supergravità il 
problema si può evitare introducendo 
nelle equazioni una costante, detta co- 
stante cosmologica, il cui effetto è quello 
di cancellare la curvatura dello spazio- 
-tempo tetradìmensionale anche quan- 
do le altre sette dimensioni sosti alta- 
mente compatì e. Tale possibilità ili adat- 
tare le equazioni fondamentali non esi- 
ste nella supergravità a 1 1 dimensioni. 

Il terzo problema della supergravità a 
1 1 dimensioni è il problema quantistico, 
ma si spera che la sua soluzione possa 
eliminare anche i due problemi prece- 
denti. Le teorie alla base del programma 
di Kaluza-Klein sono fondate su equa- 
zioni quantomeccaniche; queste porta- 
no a grandezze infinite che non hanno 
alcuna ovvia interpretazione fisica. Le 
grandezze infinite presentano una diffi- 
coltà generale per quasi tutte le teorie 
quantistiche della gravità e per evitarle i 
teorici sono stati costretti a eseguire ap- 
prossimazioni che trascurano alcuni de- 
gli effetti quantistici. Alla fine si può 
sperare o di dimostrare che gli infiniti 
sono dovuti alla procedura di approssi- 
mazione e non atta teoria stessa, oppure 



di trovare una teoria particolare nella 
quale gli infiniti siano assenti. 

Negli ultimi mesi alcuni fisici teorici si 
sono entusiasmati alla prospettiva che il 
problema delle grandezze infinite e forse 
gli altri problemi che abbiamo citato si 
possano risolvere con un tipo di teoria 
chiamato «teoria della supercorda» (si 
veda T articolo Modelli a risonanza duale 
delle particelle elementari di John H. 
Schwarz in «Le Scienze» n. 82, giugno 
1975). Le teorie delta supercorda pre- 
sentano alcune attraenti proprietà tipi- 
che della supergravità. Per poter essere 
matematicamente coerenti, esse devono 
essere costruite nello spazio-tempo a 1 
dimensioni, e a 10 dimensioni sono po- 
che le teorie possibili. Per un certo tem- 
po si è creduto che le grandezze infinite 
fossero assentì nella teoria della super- 
gravità al primo livello dì approssimazio- 
ne degli effetti quantistici, Oggi alcuni 
fisici pensano che esse siano assenti a 
ogni livello di approssimazione. 

La teoria della supercorda 

In una teoria della eorda le particelle 
sono associate ai moti vìbrazionali di una 
corda unidimensionale in uno spazio con 
un maggior numero di dimensioni. La 
differenza fondamentale tra una teoria 
della corda e una teoria di campo, quale 
la supergravità, sta nel modo in cui si 
deve contare il numero di particelle pre- 
visto dalle due teorie. Se te sette dimen- 
sioni in più della supergravità con un 
maggior numero di dimensioni non fos- 
sero arrotolate in una superfìcie chiusa, 
la supergravità a 1 1 dimensioni senza 
compattazione prevederebbe un nume- 
ro di particelle finito. Un numero infini- 
to dì particelle nasce nella supergravità 
solo a causa della compattazione. Per 
esempio, nella teoria pentadimensionaìe 
di Kaluza c'è una serie infinita di parti- 
celle perché c'è una serie infinita di con- 
figurazioni ondulatorie stazionarie che si 
adattano alla quinta dimensione circola- 
re. D'altra parte, nella teoria della su* 
pcrcorda vi è un numero infinito di par- 
ticelle anche senza compattazione delle 
dimensioni in più. Il numero infinito di 
particelle della teorìa della supercorda 
corrisponde al numero infinito di confi- 
gurazioni ondulatorie che possono per- 
sistere sulla corda. 

La maggior parte delle particelle che 
sorgono nella teoria della supercorda 
hanno una massa estremamente grande : 
più di 10 iy volte la massa del protone; 
ciononostante, la teoria prevede anche 
circa 1000 particelle prive di massa. Fino 
a poco tempo fa si pensava che le mutue 
interazioni di queste particelle fossero 
equivalenti alle interazioni descritte da 
una versione della supergravità a 10 di- 
mensioni, e vi erano due motivi per non 
studiare a fondo questa versione. In pri- 
mo luogo, pareva non esistessero solu- 
zioni alle equazioni della teoria nella 
quale sei dimensioni si arrotolano e la- 
sciano uno spazio-tempo t et radi me ns io- 



naie con proprietà « ragionevoli *, In se- 
condo luogo, le equazioni stesse diven- 
tano incoerenti quando vengono inter- 
pretate a livello quantistico. La versione 
della supergravità a 10 dimensioni, e 
quindi le mutue interazioni delle parti- 
celle prive di massa descritte dalia teoria 
della supercorda, non apparivano inte- 
ressami perii programma Kaluza-Klein. 

Di recente Michael Green del Queen 
Mary College di Londra e Schwarz han- 
no dimostrato che le interazioni delle 
particelle prive di massa della teoria del- 
la supercorda differiscono leggermente 
dalle loro interazioni nella versione della 
supergravità a 10 dimensioni. Gli effetti 
sono sottili e sono dovuti al numero in- 
finito di particelle pesanti presenti nella 
teoria della supercorda» ma non nella 
supergravità senza compattazione, Se si 
tiene conto degli effetti delle particelle 
pesanti, sì ottengono equazioni coerenti 
a livello quantistico, 

Questo recente successo ha stimolato 
un rinnovato e vigoroso sforzo per com- 
pattare le sei dimensioni in più della teo- 
ria della supercorda. Per molti aspetti il 
problema è ancor più difficile che non 
nella supergravità a 1 1 dimensioni in 
quanto le proprietà delle superaci a sei 
dimensioni richieste nella teoria della 
supercorda sono matematicamente più 
complesse delle proprietà, per esempio, 
della sfera a sette dimensioni. Cionono- 
stante, vi sono molti stimoli alla soluzio- 
ne del problema e vi sono indicazioni che 
gli altri due problemi importanti della 
supergravità, cioè il problema della chi- 
ralità e il problema cosmologico, non 
sorgono nella teoria della supercorda. 

Futuri sviluppi 

Spesso trascorre molto tempo tra lo 
sviluppo di eleganti concetti teorici e la 
precisa formulazione di previsioni veri- 
ficabili sperimentalmente, Sono stati ne- 
cessari, per esempio, 13 anni per trovare 
il modo corretto di applicare le teorie di 
gauge non abe liane all'unificazione delle 
forze fondamentali. L'attuale mancanza 
di chiare indicazioni sulla correttezza 
sperimentale delle idee della supergra- 
vità e della teoria di Kaluza-Klein non 
significa necessariamente che esse siano 
errate , e può darsi che si a se mplice mente 
necessaria un'ulteriore ricerca teorica. 

Esiste anche una relazione tra lo svi- 
luppo dì idee nella fisica di base e nuovi 
concetti matematici. Per esempio, è sta- 
to possibile portare la supergravità al 
suo livello attuale di raffinatezza perché 
i matematici, da parte loro, avevano svi- 
luppato algebre non commutative diret- 
tamente applicabili alle teorie fisiche, È 
possibile che una comprensione più pro- 
fonda del ruolo dello spazio e dei tempo 
nella teoria dei quanti richieda lo svilup- 
po e l T in traduzione di ulteriori concelti 
matematici: l'interesse attuale per le 
teorie della gravità con un maggior nu- 
mero di dimensioni può essere solo un 
primo passo in questa direzione. 



102 



(RI) CREAZIONI 
AL CALCOLATORE 



di A. K. Dewdney 



Un bestiario di virus, bachi e 

altre insidie per la memoria 

dei calcolatori nella Guerra dei nuclei 



Quando nel luglio 1 9&4 uscì il mio 
articolo sulla Guerra dei nu- 
clei, non mi rendevo conto di 
quanto serio fosse l'argomenta affronta- 
to. La mia descrizione di programmi in 
linguaggio macchina che si aggirano n e 1- 
lamemoriadi un calcolatore cercando di 
distruggersi l' un l'altro ha avuto notevo- 
le risonanza. Secondo i resoconti di mol- 
ti lettori, abbondano gli esempi di bachi, 
virus e altre creature software annidate 
in tutti i possibili ambienti dì elabora- 
zione. Certe possibilità sono così orribili 
che esito a riportarle. 

Il romanzo francese di spionaggio 
Softwar: La Guerre Dance presenta 
un'immaginaria situazione geopolitica 
di questo genere. Gli autori, Thierry 
Breton e Denis Beneich, imbastiscono 
un agghiacciante racconto a proposito 



dell'acquisto, da parte dell'Unione So- 
vietica, di un supercalcolatore america- 
no. Invece di bloccare la vendita, le au- 
torità americane acconsentono alla tran- 
sazione mostrando una studiata rilut- 
tanza: il calcolatore, infatti, è stato 
segretamente programmato con una 
«bomba software». Ufficialmente ac- 
quistata per le previsioni meteorologi- 
che sul vasto territorio dell'Unione So- 
vietica, la macchina, o meglio il suo 
software, contiene un «grilletto» nasco- 
sto: appena il Servizio meteorologico 
nazionale degli Stati Uniti comunica il 
rilevamento di una certa temperatura a 
St. Thomas, nelle Virgin Islands, il pro- 
gramma procede a sovvertire e distrug- 
gere tutti i pezzi di software che riesce a 
trovare nella rete sovietica. Se è vero che 
sceneggiature di questo genere rappre- 



ISTRUZIONE 


MNEMONICA 


CODICE 


ARGOMENTI 


SPIEGAZIONE 


Sposta 


MOV 


1 


A 


B 


Sposta il contenuto dell'indirizzo A 
all'indirizzo fi 


Somma 


ADD 


2 


A 


B 


Somma i contenuti dell'indirizzo A 
e dell'indirizzo B 


Sottrae 


SUB 


3 


A 


B 


Sottrae il contenuto 
dell'indirizzo A dall'indirizzo B 


Salta 


JMP 


4 


A 




Trasferisce il controllo all'indirizzo A 


Salta se zero 


JMZ 


5 


A 


B 


Trasferisce il controllo 
all'indirizzo A se il contenuto 
dell'indirizzo B è zero 


Salta se 
maggiore 


JMG 


6 


A 


B 


Trasferisce il controllo 
all'indirizzo A se il contenuto 
dell'indirizzo B è maggiore di zero 


Decremento: 
salta se zero 


DJZ 


T 


A 


B 


Sottrae 1 dal contenuto dell'indirizzo fi 
e trasferisce il controllo all'indirizzo A 
se il contenuto dell'indirizzo fi diventa zero 


Confronta 


CMP 


8 


A 


B 


Confronta i contenuti degli 
indirizzi A e 6; se sono diversi, 
salta l'istruzione successiva 


Divide 


SPL 


9 


A 




Divide l'esecuzione nell'istruzione 
successiva e nell'istruzione in A 


Enunciato 
di dati 


DAT 







B 


Enunciato non eseguibile; 
fi è il valore dei dati 



Eterno di istruzioni per la Guerra dei nuclei 



sentano possibilità reali, sono tentato di 
dire: «Se guerra [war\ deve essere, che 
sia almeno dolce [s#//]». D'altra parte, 
un dubbio mi viene dalla possibilità di un 
incidente dovuto al collegamento stretto 
fra software militare e sistemi di control- 
lo delle armi. 

Prima di passare a descrivere le espe- 
rienze avute da vari lettori con pro- 
grammi ostili, vale la pena di riassumere 
le caratteristiche principali della Guerra 
dei nuclei per coloro che non avessero 
letto l'articolo del luglio 1984. 

Due giocatori scrivono ciascuno un 
programma in un linguaggio di basso 
livello chiamato REDCODE. I pro- 
grammi vengono posti in una vasta are- 
na circolare che chiamiamo Nucleo: in 
realtà nient'altro che una matrice di mi- 
gliaia di locazioni, in cui l'ultimo indiriz- 
zo è contiguo al primo. Ogni istruzione 
del programma da battaglia occupa una 
locazione nel Nucleo. Il programma ese- 
cutivo mars (acronimo per Memory 
Array Redcode Simulator, ovvero «si- 
mulatore di Redcode nella matrice di 
memoria» ) fa girare i programmi da bat- 
taglia eseguendo alternativamente un'i- 
struzione dell'uno e una dell'altro, come 
un semplice sistema a partizione di tem- 
po: i due programmi si attaccano e, a 
turno, cercano di evitare danni o di ripa- 
rare quelli subiti. Una semplice modalità 
d'attacco può essere eseguita per mezzo 
di istruzioni MOV. Per esempio 

MOV# 1000 

fa sì che il numero sia posto nella loca- 
zione il cui indirizzo si trova 1000 loca- 
zioni al di là di questa istruzione, cancel- 
lando il precedente contenuto di quella 
locazione. Nel caso lo venisse posto su 
un'istruzione dell'avversario, anch'essa 
sarebbe tolta di mezzo e il programma 
non sarebbe più eseguibile: l'avversario 
avrebbe perso il gioco. 

Dato che nessun calcolatore, persona- 
le o mainframe, è dotato all'origine di 
REDCODE e di un'adeguata matrice 
da battaglia, queste caratteristiche de- 
vono essere simulate. È ancora disponi- 
bile la traccia per la stesura di un pro- 
gramma di simulazione (può essere ri- 
chiesta ancora a «Le Scienze», rubrica 
«( Ricreazioni al calcolatore», via del 
Lauro 14.20131 Milano, inviando 2000 
lire, anche in francobolli, per le spese di 
fotocopia e di spedizione). L'anno scor- 
so, parecchie centinaia di lettori hanno 
acquistato questa traccia e molti fra loro 
hanno scritto programmi di gioco per la 
Guerra dei nuclei. 

[spirandosi a un articolo di L. S. Pen- 
rose sui meccanismi che si autoriprodu- 
cono, apparso su «Scientific American» 
nel giugno 1959, Frederick G. Stahl di 
Chesterfield, Missouri, ha creato un 
universo lineare in miniatura in cui umili 
creature vivono, si muovono e (in un 
certo senso) compiono il proprio desti- 
no. Scrive Stahl: 

«Come nella Guerra dei nuclei, ho 



106 



isolato un segmento lineare chiuso di 
memoria principale in cui una creatura 
era simulata dal linguaggio macchina 
modificato. La macchina era un IBM 
Tipo 650 con memoria a tamburo. La 
creatura era programmata per strisciare 
lungo il suo universo mangiando cibo 
(parole diverse da zero) e creando un 
duplicato di se stessa quando era stato 
accumulato abbastanza cibo. Come nel- 
la Guerra dei nuclei, avevo un pro- 
gramma esecutivo che teneva conto di 
chi era vivo e distribuiva il tempo d'ese- 
cuzione tra le creature viventi. Lo chia- 
mavo «la mano sinistra di Dio». Stahl 
prosegue analizzando la capacità del suo 
programma di riprodursi e descrivendo 
un interessante meccanismo di mutazio- 
ne: un programma potrebbe subire, 
durante la copiatura, un piccolo numero 
di cambiamenti casuali nel suo codice. 
Tuttavia, riferisce Stahl, «abbandonai 
questa linea di lavoro dopo una sessione 
di produzioni in cui un mutante sterile 
uccise e mangiò l'unica creatura feconda 
dell'universo. Era chiaro che per ottene- 
re qualche risultato interessante sareb- 
bero state necessarie memorie incredi- 
bilmente grandi e tempi di elaborazione 
lunghissimi.» 

Una storia analoga riguarda un gioco 
chiamato Animale, in cui un programma 
cerca di stabilire a che animale sta pen- 
sando un uomo. David D. Clark, del 
Laboratory for Computer Science del 
Massachusetts Institute of Technology, 
scrive che gli impiegati di una certa 
azienda giocavano con vero ardore ad 
Animale. Pur non somigliando a un pro- 
gramma di battaglia e nemmeno alle 
semplici creature di Stahl, Animale ave- 
va la capacità di riprodursi nei corridoi 
del nucleo sfruttando gli sforzi del pro- 
grammatore di potenziare una caratteri- 
stica chiave del gioco: quando sbaglia 
ncll'indovinare l'animale che il giocato- 
re umano ha in mente, il programma 
chiede a quest'ultimo di suggerire una 
domanda che esso potrebbe porre per 
migliorare le sue prestazioni future. 
Ouesta caratteristica, prosegue Clark, 
portò il programmatore a inventare un 
trucco per assicurarsi che ognuno avesse 
sempre la stessa versione di Animale. 

«Su un sistema di elaborazione anti- 
quato, privo di una struttura di catalogo 
condivisa e privo anche di mezzi di pro- 
tezione, un programmatore inventò un 
modo molto originale per rendere di- 
sponibile il gioco a più utenti. Una ver- 
sione del gioco esisteva nel catalogo de- 
gli archivi di un utente; quando questi 
giocava, il programma produceva una 
copia di se stesso in un altro catalogo di 
archivi. Se quel catalogo conteneva già 
una copia del gioco, la vecchia versione 
veniva cancellata, così che il comporta- 
mento del gioco cambiava in modo inat- 
teso per il giocatore. Se quel catalogo 
non conteneva in precedenza una ver- 
sione di Animale, un altro utente si tro- 
vava ad avere a disposizione il gioco.» 

Clark ricorda che Animale era un gio- 



1 IF PEEK ( 104) = 134 GOTO 10 

2 POKE 104, 134: POKE 134 * 256,0 

3 PRINT CHR$(4) "RUN APPLE WORM" 

10 HOME : POKE - 16302,0: POKE - 16304,0: POKE 1023,160 

20 FOR I = TO 94: READ D: POKE 1024 + I, D: NEXT I 

30 POKE - 16368,0 

40 IF PEEK ( - 16384)< 128 GOTO 40 

50 CALL 1024 

100 DATA 160,225,200,185,255,3,153,127,4,192,95,208,245, 
160,18,190,76,4,24,189,128,4,105,128,157,128,4,189,129, 
4,105,0,157,129,4,192,13,208,18,238,23,4,173,23,4 

200 DATA 141,151,4,206,31,4,173,31,4,141,159,4,136,208,211, 
173,167,4,72,173,176,4,141,167,4,104,141,176,4,76,128, 
4,7,20,25,28,33,46,55,61,65,68,72,75,4,16,40,43,49,52 



Un bacò che vive negli Apple 



co talmente popolare che, alla fine, tutti 
i cataloghi del sistema dell'azienda ne 
contenevano una copia. «Quando poi 
degli impiegati dell'azienda venivano 
trasferiti ad altre divisioni... portavano 
con sé anche Animale, che così si diffuse 
di macchina in macchina all'interno del- 
l'azienda.» La situazione non sarebbe 
mai diventata seria se non fosse stato che 
tutte quelle copie del gioco, per altri ver- 
si innocue, cominciarono a intasare la 
memoria su disco. Solo quando qualcu- 
no inventò una versione più «virulenta» 
del gioco, la situazione potè tornare sot- 
to controllo. Ouando la nuova versione 
di Animale veniva giocata, essa si copia- 
va in altri cataloghi non una ma due 
volte. Dandogli abbastanza tempo, si 
pensava, questo programma avrebbe 
alla fine cancellato tutte le vecchie ver- 
sioni di Animale, Dopo un anno, al 
raggiungimento di una data prefissata, 
in ogni copia del nuovo programma 
Animale si innescò un nuovo meccani- 
smo. «Invece di replicarsi due volte, 
ora esso giocava una partita finale, 
augurava "arrivederci" all'utente e poi 
si cancellava. Così Animale venne 
espulso dal sistema.» 

Una volta Ruth Lewart di Holmdcl. 
New Jersey, creò un mostro (per così 
dire) senza neanche scrivere un pro- 
gramma. Mentre lavorava, sul sistema a 
partizione di tempo della sua azienda, 
alla preparazione di una versione dimo- 
strativa di un programma didattico, de- 
cise di produrre una copia di riserva su 
un altro sistema a partizione di tempo. 
(Juando il sistema originale cominciò ad 
apparire lento, riferisce, «inserii il si- 
stema ausiliario, che era molto sensibile, 
per tre minuti interi, durante i quali non 
ci fu alcuna risposta e il caos più comple- 
to regnava sullo schermo del mio termi- 
nale grafico. Nessuno era più in grado di 
inserirsi o di uscire dal sistema. La con- 
clusione che si poteva trarre era una 
sola: in qualche modo la colpa era del 



mio programma! Nonostante il panico, 
mi resi improvvisamente conto di aver 
usato una "e" commerciale (&) come 
carattere separatore di campo del ter- 
minale. Ma la & era anche il carattere 
usato dal sistema per generare un pro- 
cesso di fondo. Alla prima lettura dallo 
schermo, il calcolatore deve aver inter- 
cettato le & indirizzate al terminale e 
deve aver generato un gran numero di 
processi, ciascuno dei quali, a sua volta, 
generò altri processi, e così via all'infini- 
to.» Una telefonata frenetica informò 
un responsabile di sistema dell'origine 
del disturbo e il calcolatore mainframe 
venne spento e fatto ripartire. Inutile 
dire che Lewart cambiò la & in un altro 
carattere e il suo programma «da allora 
ha sempre funzionato felicemente». 

Anche se i programmi per la Guerra 
dei nuclei non vengono generati in que- 
sto modo, copie aggiuntive possono 
aumentare le loro capacità di sopravvi- 
venza. Parecchi lettori hanno proposto 
la realizzazione di tre copie del pro- 
gramma, in modo che la copia in esecu- 
zione possa utilizzare le altre due per 
stabilire se qualche sua istruzione è sba- 
gliata. Il programma in esecuzione po- 
trebbe sostituire un'istruzione difettosa 
con una idonea a garantire la sopravvi- 
venza. Un'idea analoga sta alla base di 
Scavenger (Spazzino), un programma 
ideato per proteggere da errori gli archi- 
vi di una memoria di massa quando si 
preparano copie di riserva su nastro 
magnetico. Arthur Hudson, che vive a 
Newton nel Massachusetts (e lavora per 
un'altra azienda che non citiamo), scri- 
ve: «Chiunque abbia usato spesso il na- 
stro magnetico si è trovato assediato da 
una forza aliena chiamata Legge delle 
probabilità composte.» Hudson prose- 
gue citando vari errori connessi con l'uso 
di nastri e dimostra che. sebbene ogni 
tipo di errore abbia una probabilità rela- 
tivamente piccola di prodursi, la proba- 
bilità che se ne verifichi almeno uno è 



107 



DAT 









/puntatore all'indirizzo da proteggere 


ADD 




#1 


— 1 


/incrementa l'indirizzo della protezione 


PCT 




Cu— 2 




/protegge l'indirizzo 


CMP 




#102 


— 3 


/se tutte e 102 le istruzioni sono protette... 


JMP 




2 




/... allora lascia il ciclo 


JMP 




-4 




altrimenti riprendilo 




CORPO DEL PROGRAMMA 01 BATTAGLIA PRINCIPALE 

• 
■ 



Questo cèrio protegge f combattenti da bombe vaganti 



spiacevolmente alta. Poi continua così: 

«Niente paura, Scavenger è con voi: 
se gli affidate un archivio di una memo- 
ria di massa, copierà l'archivio su tre 
nastri magnetici senza seccarvi con ba- 
nali dettagli di gestione. Anche se il cal- 
colatore cade in errore logico (come 
avveniva parecchie volte al giorno) di 
solito non verrà distrutta la registrazione 
dell'esecuzione; quando il calcolatore 
viene riattivato, tutti i bachi presenti nel- 
la registrazione si metteranno a loro vol- 
ta in funzione. Alla scrittura di ciascun 
nastro presiede un compito distinto, sot- 
to il coordinamento di un programma 
principale.» 

Chi possiede un calcolatore Apple 
dovrebbe guardarsi da uno spregevole 
programmino chiamato Apple Worm 
(letteralmente Baco della mela), creato 
da Jim Hauser e William R. Buckley 
della California Polytechnic State Uni- 
versity a San Luis Obispo. Scritto per 
l'Apple II in linguaggio di assemblatore 
del microelaboratore 6502, questa spe- 
cie di baco si riproduce nel corso di un 
allegro viaggetto attraverso l'Apple 
ospite. All'inizio si carica un particolare 
programma BASIC (si veda li Jlus tra- 
zione della pagina precedente), il quale a 
sua volta carica il baco nella parte bassa 
della memoria (quella con indirizzi bas- 
si). Il programma BASIC occupa invece 
la parte alta della memoria. 

«Dato che il Baco viene caricato in 
una delle aree grafiche della macchina, 
si può osservare il Baco che inizia il suo 
attacco a capofitto (o, per meglio dire, a 
codafitta) nella memoria alta... Una vol- 
ta che il Baco ha lasciato la finestra gra- 
fica... si può aspettare che abbia cancel- 
lato la parte alta della memoria (com- 
preso il programma BASIC) e vada a 
scontrarsi con le ROM dì sistema.» 

Hauser e Buckley hanno in program- 
ma di pubblicare, in un futuro non lon- 
tano, una raccolta di bachi. Hanno pro- 
gettato un Worm Operating System 
(Sistema Operativo Baco) e hanno per- 
fino scritto un videogioco in cui Baco 
ricopre uno dei ruoli principali 

Un'altra minaccia software viene 
proposta da Roberto Cerruti e Marco 
Morocutti di Brescia. Prendendo spunto 
dalla traduzione italiana dell'articolo 
sulla Guerra dei nuclei apparsa su «Le 
Scienze», hanno pensato a un modo per 



infestare l'Apple II. non con un baco ma 
con un virus. Scrive Cerruti: 

«Marco pensò di scrivere un pro- 
gramma capace di passare da un calcola- 
tore all'altro, come un virus, e di "infet- 
tare" in questo modo altri Apple. Non 
fummo però in grado di idearlo finché 
non mi resi conto che il programma do- 
veva infettare i dischetti e usare il calco- 
latore solo come mezzo per migrare da 
un disco all'altro. Fu così che il nostro 
virus cominciò a prendere forma. 

«Come si sa, ogni dischetto Apple 
contiene una copia del DOS (il sistema 
operativo per dischi), che viene lanciato 
dal calcolatore non appena riceve l'ali- 
mentazione. Il virus era una modifica- 
zione di questo DOS, che a ogni opera- 
zione di scrittura verificava la propria 
presenza sul disco e. in caso negativo, 
modificava il DOS sul disco, copiandosi 
così su ogni dischetto messo nell'unità di 
lettura e registrazione dopo la prima 
accensione. Pensammo che, se avessimo 
installato un simile DOS su alcuni dischi 
usati nel maggiore negozio di calcolatori 
della nostra città, Brescia, in breve 
avremmo provocato la diffusione di 
un'epidemia in tutta la città. 

«Ma era una vera epidemia, con virus 
così innocui? No, i nostri virus dovevano 
essere maligni! Decidemmo, quindi, che 
dopo 16 cicli di autoriproduzione, con- 
tati sul disco stesso, ilprogrammadoves- 
se decidere di reinizializzare il disco su- 
bito dopo il lancio. A quel punto era 
chiara la terribile perversità della nostra 
idea e decidemmo di non metterla in 
pratica né di parlarne con alcuno.» 

Cerruti e Morocutti sono stati gentili. 
In un calcolatore personale» il sistema 
operativo per dischi è l'arbitro ultimo 
del destino dei programmi, dei dati e di 
tutto il resto. Nello schema appena de- 
scritto, il sistema operativo infetto can- 
cella il disco da cui è stato lanciato e 
quindi non può più essere caricato se 
non da un altro disco. Il DOScontagiato 
potrebbe anche far apparire periodica- 
mente un messaggio irritante del tipo: 

IL VOSTRO DISCO 

VI SFUGGE? 

È ora di rivolgersi al 

DOTTOR DOS 

disponibile su disco nel 

più vicino negozio di calcolatori 



L'infezione virale descritta si è già ve- 
rificata su piccola scala. Richard Skren- 
ta. Jr.. studente di una scuola superiore 
di Pittsburgh, scrisse un programma di 
questo genere. Invece di cancellare di- 
schi o visualizzare avvisi, questa forma 
di infezione provocava la comparsa di 
subdoli errori nel sistema operativo. 

«Tutto questo sembra molto infanti- 
le», scrive Skrenta. ma «ahimè! Non son 
più stato capace di liberarmi del mio 
flagelloelettronico. Ha contagiato tutti i 
miei dischi e i dischi dei miei amici. È 
riuscito addirittura ad arrivare ai dischi 
con i programmi per i grafici di funzione 
del mio professore di matematica » 
Skrenta ha inventato un programma per 
distruggere il virus, ma non si è mai di- 
mostrato efficace quanto il virus stesso. 

Ouanto delio implica un problema 
interessante, e sarei privo di. fantasia e 
irresponsabile se non lo ponessi: descri- 
vere, in una pagina o meno, dottor 
DOS, un programma su disco che in qual- 
che modo sappia soffocare epidemie 
elettroniche di questo genere. Molti di- 
schi usati da un calcolatore personale 
contengono copie del suo DOS. (Juando 
viene fatto partire, il calcolatore ottiene 
dal disco la sua copia del DOS, che ri- 
marrà operante anche quando vengono 
fatti girare altri dischi, sia pure conte- 
nenti anch'essi copie del DOS. Se è in- 
fetto, il DOS attivo può alterare le altre 
copie del DOS o addirittura sostituirle 
con copie di se stesso. Come ci si può 
opporre a questa virulenza? 

^Tella versione iniziale della Guerra 
^^ dei nuclei, la difficoltà principale 
consisteva nel fornire al programma di 
battaglia A i mezzi per proteggersi dai 
colpi vaganti del programma di battaglia 
b. Se questo tipo di protezione riusciva a 
essere più o meno efficace, l'evoluzione 
del gioco portava al livello successivo, in 
cui i programmi sarebbero stati costretti 
a cercarsi l'un l'altro e a sviluppare at- 
tacchi concentrati. 

Nel tentativo di garantire questa pro- 
tezione, nell'articolo del luglio 1984 
suggerivo l'istruzione 

PCT A 

dove A è l'indirizzo relativo (diretto o 
indiretto) di un'istruzione che deve esse- 
re protetta. Un tentativo di cambiare il 
contenuto di quell'indirizzo sarebbe 
bloccato da mars. il sistema supervisore 
del gioco. Il tentativo successivo, però, 
avrebbe avuto successo. Mi sembrava 
che, impiegando un semplice ciclo, un 
programma di battaglia potesse proteg- 
gere tutte le proprie istruzioni da bombe 
vaganti abbastanza a lungo da riuscire a 
lanciare una sonda indisturbata verso 
l'altro programma. La figura di questa 
pagina mostra in forma schematica un 
programma ad autoprotezione di questo 
genere. Il ciclo di protezione è formato 
da sei istruzioni, quattro delle quali ese- 
guite a ogni passaggio nel ciclo. Così, un 



108 



programma di battaglia di n istruzioni 
(ciclo incluso) richiederebbe circa 4 x n 
esecuzioni per avere una protezione 
completa da un singolo colpo. Ouesto 
scudo non è una gran protezione contro 
un programma dwarf che lanci due colpi 
contro ogni locazione. 

Esiste un altro uso di questa istruzio- 
ne, non previsto nel precedente articolo 
sulla Guerra dei nuclei. Stephen Peters 
di Timaru. Nuova Zelanda, e Mark A. 
Durham di Winston-Salcm. North Caro- 
lina, l'uno indipendentemente dall'al- 
tro, hanno pensato di usare PCT in 
modo offensivo. Un programma chia- 
mato TRAP-DWARF innalza uno sbarra- 
mento di zeri nel solito modo ma poi 
protegge ogni deposito contro la sovra- 
scrittura. Ouesto significa che un pro- 
gramma nemico incauto può cadere in 
una di queste trappole mentre si trascri- 
ve in una nuova arca, [/istruzione indi- 
rizzata alla locazione occupata da uno 
zero protetto non avrebbe ovviamente 
effetto su quella locazione. Ouando, in 
seguito, l'esecuzione raggiunge quel- 
l'indirizzo, il nuovo programma muore 
perché non è un'istruzione eseguibile. 
Varrà forse la pena di includere PCT in 
qualche futura versione della Guerra dei 
nuclei, ma per ora la terrò da parte per 
amore di semplicità, sigillo del progetti- 
sta del gioco. 

Tra le altre idee suggerite dai lettori ci 
sono la matrice di nuclei bidimensionale 
proposta da Robert Norton di Madison, 
Wisconsin, e la regola di limitazione di 
campo avanzata da William J. Mitchell 
del dipartimento di matematica della 
Pennsylvania State University. L'idea di 
Norton si spiega da sé; la proposta di 
Mitchell, invece, richiede un approfon- 
dimento. Essa consiste nel consentire a 
ogni programma di battaglia di modifi- 
care il contenuto di qualsiasi locazione 
che non disti più di un certo numero 
prestabilito di indirizzi. Una regola di 
questo genere impedisce automatica- 
mente a DWARF di fare diinni al di fuori 
di questo intorno. La regola ha anche 
molti altri effetti, tra cui quello di sotto- 
lineare notevolmente il movimento: in 
quale altro modo un programma di bat- 
taglia potrebbe raggiungere il campo di 
un avversario? La regola ha molli pregi e 
spero che qualcuno dei molti lettori che 
possiedono un sistema per la Guerra dei 
nuclei le voglia dedicare l'ulteriore ap- 
profondimento che merita. 

Norton propone anche che, in una 
battaglia della Guerra dei nuclei, a ogni 
contendente sia consentita più di una 
esecuzione. La stessa idea è venuta a 
molti altri lettori e ho deciso di accettare 
il suggerimento, così che ora la Guerra 
dei nuclei assume un carattere di grande 
apertura che prima mancava, 

(1 gioco si modifica aggiungendo la 
seguente istruzione, chiamata scissione, 
al listato ufficiale della Guerra dei nuclei 
(si veda V illustrazione di pagina 106). 

SPL ,4 



Ouando l'esecuzione raggiunge questo 
punto, si divide in due parti, l'istruzione 
che segue SPL e quella distante A indi- 
rizzi. Ouesto consente immediatamente 
a ogni giocatore della Guerra dei nuclei 
di far girare più programmi alla volta, 
quindi e necessario definire il modo in 
cui mars assegnerà queste esecuzioni. 
Sotto questo profilo, esistono due diver- 
se possibilità. 

Per illustrarle, supponiamo che un 
giocatore abbia i programmi A i,/4?e/t3, 
mentre l'altro giocatore ha i programmi 
B\ c/?2. Unalternativaè far girare tutti i 
programmi del primo giocatore, seguiti 
da quelli del secondo giocatore. L'ordi- 
ne dell'esecuzione sarebbe così Ai, A 2, 
Aj, e poi B\ e £2, e il ciclo si ripeterebbe 
indefinitamente. La seconda possibilità 
è alternare i programmi dei due giocato- 
ri. In questo caso la successione sarebbe 
Au B\, A2, Bi, A3, Bi e cosi via. I due 
schemi sono molto diversi. Il primo met- 
te l'accento su una proliferazione illimi- 
tata e sembra quindi limitare il ruolo 
dell'intelligenza nel gioco. Nel secondo, 
invece, quanto maggiore è il numero di 
programmi fatti girare dai due giocatori, 
tanto minore è il numero di volte che 
ciascuno di essi sarà eseguito. In questo 
contesto sembra appropriata una legge 
dei ritorni decrescenti, quindi ho adotta- 
to il secondo schema. Scopo del gioco, in 
ogni caso, è provocare l'arresto di tutti i 
programmi nemici. 

La nuova istruzione è ricca di possibi- 
lità creative. Per illustrarne una delle più 
modeste, ecco un programma di batta- 
glia chiamato IMP GUN: 

SPL 2 
JMP -1 
MOV 1 

Consideriamo quello che avviene 
quando l'esecuzione arriva per la prima 
volta alla sommità di questo program- 
ma. SPL 2 significa che in seguito saran- 
no assegnate a questo programma due 
esecuzioni: saranno eseguite sia J MP - 1 
sia MOV I . La prima istruzione farà sì 
che il programma rientri nel ciclo e la 
seconda mette in movimento un IMP. 
L'imp si muoverà verso il basso, natu- 
ralmente, dato che l'obicttivo del co- 
mando MOV sarà sempre l'indirizzo 
successivo, come indicato dall'I (positi- 
vo). L'imp così viene generato a ogni 
ciclo del programma e un flusso senza 
fine di esecuzioni di IMP scorre attraver- 
so il nucleo deciso a distruggere i pro- 
grammi nemici. A prima vista, può sem- 
brare che non ci sia alcuna difesa possibi- 
le contro un simile esercito di imp; in 
realtà una c'è. Bisogna mettere in gioco 
IMP PIT. un programma ancora più sem- 
plice, attivato da un comando SPT inse- 
rito in un insieme più esteso di istruzioni 
volte a proteggere il suo fianco superio- 
re: 

MOV#0 -1 
JMP -1 



A ogni esecuzione, IMP PIT pone uno 
zero subito sopra di sé, nella speranza di 
distruggere un IMP in arrivo. Qui è fon- 
damentale la regola di esecuzione-asse- 
gnazione. Se IMP GUN appartiene ad A e 
IMP m appartiene a b. allora A richieder 
mosse per eseguire n imp; solo un imp può 
arrivare alla locazione subito sopra FlMP 
PIT. A parità di altre condizioni, B deve 
eseguire imp pii solo una volta per eli- 
minare un IMP in arrivo. 

Nella versione allargata del gioco del- 
la Guerra dei nuclei, si immagina che 
ogni contendente generi e metta in cam- 
po piccoli eserciti di programmi formu- 
lati singolarmente per individuare, at- 
taccare, proteggere e anche riparare. 
Numerose sottigliezze, come quella 
proposta da John McLcan di Washing- 
ton, D.C.., richiedono un'analisi ulterio- 
re. McLean immagina un programma 
trappola specializzato, che sistema co- 
mandi JMP in vari indirizzi in tutta la 
matrice del nucleo nella speranza di far 
approdare un comando JMP all'interno 
di un programma nemico. Ogni J MP col- 
locato in questo modo trasferirebbe l'e- 
secuzione del programma nemico al 
programma trappola, provocandone per 
cosi dire il passaggio al nemico. 

Dalla mischia provocata dai pro- 
grammi di battaglia emerge un proble- 
ma importante, che ha bisogno di solu- 
zione. Che cosa impedisce a un pro- 
gramma di battaglia di uno dei conten- 
denti di attaccare i suoi collcghi? Appa- 
re necessario un sistema di ricognizione. 

Tra i molti lettori che hanno costruito 
sistemi per la Guerra dei nuclei merita- 
no una citazione particolare: C han God- 
frey di Wilton, Connecticut, Graeme R. 
McRac di Monmouth Junction, New 
Jersey, e Mike Rosing di Littleton, Co- 
lorado, perché hanno messo particolare 
cura nel definire e documentare i loro 
progetti. Mi piacerebbe in particolare 
rendere disponibili ai lettori i documenti 
di Rosing, ma ho un'altra idea migliore 
che include questa possibilità e risolve 
anche altri problemi di comunicazione. 
Se qualche lettore con un sistema per la 
Guerra dei nuclei già funzionante si of- 
frirà come direttore di una rete di Guer- 
ra dei nuclei, allora si potranno comuni- 
care a tutti gli utenti della Guerra dei 
nuclei una documentazione dei vari si- 
stemi, proposte di regole, programmi 
interessanti e battaglie. Un volontario 
sarà scelto come direttore; gli altri vo- 
lontari potrebbero dar vita, secondo i 
loro interessi, a un bollettino, a un comi- 
tato per le regole, e cosi via. In un artico- 
lo futuro darò il nome e l'indirizzo del 
direttore di rete. 

Continuano ad arrivare numerosi re- 
soconti di lettori che hanno giocato con 
l'ecologia del pianeta Wa-Tor (si veda- 
no le «(Ri)crcazioni al calcolatore» del 
febbraio I ^85); potrò quindi esaminare 
solo poche fra le molte esperienze de- 
scritte. In linea generale, la scelta dei 
giusti parametri ha prodotto grosse flut- 
tuazioni nelle popolazioni degli squali e 



dei pesci. Alcuni lettori, desiderosi di 
rendere Wa-Tor più simile alla Terra, 
hanno aggiunto particolari caratteristi- 
che ai loro programmi. Il gioco, in effet- 
ti, invita a una sua complicazione, che e 
certamente benvenuta. L'introduzione 
di un sistema variante, però, ha il grosso 
svantaggio (a parità di altri fattori) di 
rendere ardui i confronti con il sistema 
standard. 

Costruttori di un sistema iniziale sono 
stati Jean H. Anderson di Lauderdalc, 
Minnesota, Stephen R. Bcrggrcn di Sa- 
tellite Bcach, Florida, Milton Boyd di 
Amherst, New Hampshire, J. Connctt di 
Minneapolis, Minnesota, Edgar F. Cou- 
da di Park Ridgc. Illinois, Jim Lcmon di 
LI Segundo, California, e Kenneth I). 
Wright di Grayling, Michigan. 

Tra le questioni che questi e altri let- 
tori si sono trovati ad affrontare c'era la 
durata della sopravvivenza. Chiaramen- 
te, non c'è alcun problema per le popo- 
lazioni eterne, ma sarebbe utile avere 
una misura delle sceneggiature che non 
sono eterne. Come rileva Stcvcns. misu- 
rare con i crononi può essere fuorviante 
quando si scelgono la durata delle esten- 
sioni di vita e i tempi di riproduzione per 
gli squali. Anche la misurazione per cicli 
solleva problemi: che cos'è un ciclo? 
Stevens fa la divertente osservazione 
che se gli squali e i pesci sopravvivono a 
un sufficiente numero di ripetizioni del 
ciclo base con numeri casuali, si ripeterà 
una configurazione precedente, in ac- 
cordo con il ciclo, e da lì in avanti alle 
popolazioni sarà ovviamente garantita 
la vita eterna. 

Un gran numero di lettori, tra cui 
David Lmanuel di Oak Brook, Illinois, 
Richard G. Fizell di Fort Washington, 
Maryland, e John S. Lcw dello IBM 
Thomas J. Watson Research Center di 
Yorktown, New York, hanno descritto 
teorie moderne utili all'analisi di Wa- 
Tor. Non è stata ancora detta l'ultima 
parola a proposito del dilemma se le 
matrici stocastiche ci metteranno in gra- 
do di derivare specifiche probabilità di 
sopravvivenza da combinazioni arbitra- 
rie di parametri o no. È interessante 
notare, però, che le equazioni di Lotka- 
-Volterra (dalla loro formulazione nel 
I 931) sono state elaborate in modo da 
prendere in considerazione la diffusione 
come fattore che riguarda sia il predato- 
re sia la preda. La diffusione fa assumere 
forme più complesse alle soluzioni di 
Lotka- Volterra, che di solito variano 
con regolarità. ,Una nota storica di Lew 
ci precisa come Alfred J. Lotka fosse un 
matematico americano il quale, un de- 
cennio prima, aveva formulato la stessa 
equazione di Volterra. 

Boyd ha sfruttato un diagramma di 
fase per analizzare la dinamica delle 
popolazioni di squali e altri pesci. A ogni 
istante t, si riportano in grafico il numero 
x dei pesci e quello y degli squali come 
coordinate di un singolo punto. Man 
mano che il tempo avanza e le popola- 
zioni seguono il loro ciclo, il punto de- 



scrive un'orbita erratica intorno a un 
occhio, o centro, fisso. Boyd ha usato 
questa tecnica per studiare l'effetto delle 
dimensioni dell'oceano sulla sopravvi- 
venza e scrive che «per i mondi più ret- 
tangolari, le orbite persero il loro oc- 
chio, le traiettorie divennero più nervo- 
se, per diventare infine percorsi casua- 
li». Evidentemente, sono preferibili 
oceani quadrati. 

Tra le innovazioni introdotte dai let- 
tori possiamo annoverare una forza vita- 
le degli squali, mutazioni, doppie po- 
polazioni di pesci e plancton. Nel mio 
articolo di febbraio avevo trascurato di 
dire che i pesci comuni di Wa-Tor si 
cibano di un plancton oceanico sparso 
ovunque in abbondanza. Lemon ha reso 
esplicita questa caratteristica facendo in 
modo di mettere plancton in ogni punto 
non occupato da uno squalo o da un 
altro pesce. Il plancton prolifica in punti 
altrimenti vuoti e ha con i pesci comuni 
la stessa relazione che i pesci comuni 
hanno con gli squali. Anche in questo 
caso esistono popolazioni eterne. 

Gli squali di Couda guadagnano o 
perdono punti di forza vitale a seconda 
di quanto mangiano. Possono così so- 
pravvivere senza cibo molto più a lungo 
dei semplici squali dello Wa-Tor stan- 
dard. Couda (come molti altri pro- 
grammatori di Wa-Tor) ha inviato dia- 
grammi che sono notevolmente simili a 
quelli che si ottengono in base ai dati 
della Hudson's Bay Company. 

Connctt utilizza due specie di pesci. 
Una è la varietà standard di Wa-Tor; 
l'altra si riproduce sempre in qualsiasi 
punto vuoto a sud o a est. A causa della 
sua tendenza alla mobilità, la seconda 
specie spesso sopravvive alla prima. 
Rudy Iwasako di Sacramento, Califor- 
nia, ha proposto di attribuire agli squali 
e agli altri pesci caratteristiche di dimen- 
sione, velocità e agilità, sottoposte a 
controllo genetico. Berggren ha scritto il 
suo sistema, chiamato evolve, due anni 
fa. Esso è simile a wator, ma lascia che 
gli animali si evolvano secondo le pres- 
sioniambicntali. A giudizio di Bcrggrcn, 
le popolazioni arriverebbero a un equi- 
librio favorevole alla sopravvivenza a 
lungo termine. 

Nessuno è riuscito a risolvere il pro- 
blema dell'inseguimento toroidale. Ri- 
velerò solo metà della soluzione, in 
modo da riservare ai lettori il piacere di 
trovare l'altra metà. Si ricordi che, a 
ogni turno, il pesce si muove e poi si 
muovono i due squali. Come in Wa- 
Tor, non è consentito rimanere nello 
stesso punto. Ogni raggio segue una 
diagonale e gira intorno al toro, ricon- 
giungendosi presto o tardi con se stesso. 
Quando entrambi gli squali occupano 
una coppia di raggi opposti, non impor- 
ta in che modo il pesce si muove: uno 
squalo inseguc a distanza costante e 
l'altro squalo si avvicina. Il pesce è con- 
dannato. Lascio ai lettori scoprire in 
che modo gli squali, per cosi dire, vada- 
no alla caccia dei raggi. 



IH»